Elemente de Fizica Mediului

Elemente de fizica mediului

Katalin Sós, Lázló Nánai, Agneta M. Balint

Acest document s-a realizat cu ajutorul financiar al Uniunii Europene. Punctele devedere cuprinse în el sunt ale autorilor şi de aceea nu pot fi privite în nici un caz oluare de atitudine oficială a Uniunii Europene.

INTRODUCERE 1

CAPITOULU I. ATMOSFERA 2

I.1. Structura atmosferei 2

I.2. Aerosolii atmosferici 4

1.3. Clasificarea particulelor de aerosoli după dimensiune şi mărime 5

1.4. Aerosolii de origine antropogenă 7

1.5. Echilibrul radiaţiei Pământului 8

1.6. Spectrul radiaţiei solare în atmosfera Pământului 10

1.7. Efectul de seră 11

1.8. Ozonul atmosferic 15

1.9. Circulaţii atmosferice, conţinutul de apă al atmosferei 191.9.1. Mişcarea maselor de aer 191.9.2. Apa din atmosferă 241.9.3. Legătura între circulaţia atmosferică şi conţinutul de vapori de apă 241.9.4. Produşii condensării şi sublimării vaporilor de apă 26

1.10. Starea electrică a atmosferei 301.10.1. Ioni aflaţi în atmosferă 301.10.2. Fenomene electrice în atmosferă 311.10.3. Starea electrică a norilor de ploaie 32

1.11. Fenomene luminoase în atmosferă 36

CAPITOLUL II. HIDROSFERA 40

II.1. Structura hidrosferei 40

II.2. Proprietăţile fizice şi chimice ale apei 43

II.3. Oceane 44

II.4. Lacuri 47

II.5. Râurile 49

II.6. Ape subterane 51

II.7. Apele naturale, ca sisteme compuse 55

CAPITOLUL III. SOLUL 56

III.1. Solificare 56

III.2. Caracteristicile solului 57

III.3. Agricultura 59

CAPITOLUL IV. RADIAŢIA RADIOACTIVĂ NATURALĂ ŞI EFECTELE EI 60

IV.1. Tipuri de radiaţii radioactive 60

IV.2. Caracteristicile cantitative ale radioactivităţii 61

IV.3. Radioactivitatea naturală 62

IV. 4. Efectul biologic al radiaţiei radioactive 64

IV.5 Radonul 67

IV.6 Concentraţia de radon în mediul uman 69

IV.7. Radioactivitatea atmosferei 70

IV. 8 Radioactivitatea apelor 71

IV.9. Radioactivitatea solului 73

CAPITOLUL V. PRODUCEREA ENERGIEI PENTRU UZUL UMAN 74

V.1. Generalităţi 74

V.2. Centrale electrice pe bază de cărbune 77

V.3. Centrale termice cu gaz şi ţiţei 81

V.4. Energia geotermică 83

V.5. Energia solară şi utilizarea ei 84V.5.1. Structura Soarelui 84V.5.2. Energia solară 87

V.6. Energia eoliană 91

V.7. Utilizarea energiei hidraulice 93

V.8. Energie obţinută din biomasă 95

CAPITOLUL VI. FOLOSIREA ENERGIEI NUCLEARE 98

VI.1 Principiul de funcţionare al centralei nucleare 98

VI.2 Centrala nucleară de la Cernavodă 100

VI.3. Ciclul combustibilului 102

VI.4. Pericolele ciclului combustibilului 104

VI.5. Cerinţe faţă de deponeul de izotopi. 105

VI.6. Energia nucleară şi mediul 105

VI.7. Securitatea funcţionării centralelor nucleare CANDU (Centrala nucleară Cernavodă) 106

VI.8. Disfuncţionalităţi şi riscul de accidente la centrale nucleare. 110

VII. EFECTE DE LUMINĂ, SUNET, CÂMPURI ELECTRICE ŞI MAGNETICE ÎN MEDIU114

VII.1. Radiaţia electromagnetică de origine naturală 115

VII.2. Radiaţia electromagnetică artificială 119

VII.3. Sunetul şi efectele sale 121

BIBLIOGRAFIE 124

Introducere

1

Introducere

Să răspundem mai întâi la câteva întrebări:

• Ce este mediul ?

Conform Dicţionarului Explicativ Român prin mediu se înţelege:

− natura înconjurătoare în care se află fiinţele şi lucrurile;

− substanţă solidă, lichidă sau gazoasă, câmp electromagnetic sau gravitaţional

etc. în care se desfăşoară fenomenele fizice

• Ce este fizica mediului ?

Prin “Fizica mediului înţelegem aplicarea principiilor fizicii la procesele şi problemele

mediului natural şi a celui creat de om ” conform definiţiei date de Grupul de Fizica Mediului

[1].

Această definiţie este corectă, dar prea largă, însemnând că “se ocupă cu atmosfera,

oceanele, crusta Pământului şi biosfera.” Acest lucru este adevărat doar până la o limită pentru

că Fizica Mediului nu acoperă în întregime meteorologia, oceanografia şi geofizica.

Sunt 25 de ani de la scrierea primei cărţi “Principiile Fizicii Mediului ” de către

profesorul John L. Monteith, în care subiectul a fost definit “măsurarea şi analiza

interacţiunilor între organismele vii şi mediul lor fizic.” El a subliniat că “interacţiunea” este

cuvântul cheie în definiţie.

Un obiectiv al fizicii mediului este de a găsi căi cantitative riguroase pentru

descrierea a două seturi de procese complementare: răspunsul organismelor vii la mediul

lor fizic şi răspunsul mediilor fizice la prezenţa organismelor vii.

Fizica Mediului se ocupă deci de explorarea, monitorizarea şi înainte de toate de

înţelegerea mediului în care trăim, efectul omului asupra acestuia, ambele pe o scară locală şi

globală.

Cursul “Elemente de Fizica Mediului” prezintă acea parte a fizicii care se foloseşte pentru

analiza, prevenirea şi reducerea problemelor mediului. Sunt abordate atât tehnici experimentale

cât şi teoretice, incluzând generarea energiei pentru uzul uman, transportul poluanţilor precum şi

contextul societăţii umane.

Capitolul I. Atmosfera


Atmosfera, stratul de aer ce înconjoară Pământul, asigură pe de o parte oxigenul

necesar proceselor vitale, pe de altă parte ocroteşte viaţa pe pământ faţă de radiaţiile nocive.

Acele activităţi care împiedică procesele de ocrotire, respectiv în urma lor materiale nocive

ajung în atmosferă, reprezintă pericol serios pentru viaţa de pe Pământ.

Omul are nevoie zilnic pentru a-şi întreţine funcţiunile vitale de 1-2 kg apă,

1-1,5 kg hrană şi 24 kg de aer. Aerul înainte de a fi expirat ajunge în contact cu ţesutul

pulmonar şi absorbţia lui în circuitul sanguin este mai eficace decât cea a hranei. De aici

rezultă că organismul uman poate suporta doar o foarte mică poluare a aerului; poluarea apei

sau a hranei poate fi ceva mai mare.

I.1. Structura atmosferei

Împărţirea atmosferei poate fi făcută din mai multe puncte de vedere.

Pe baza schimbării temperaturii deosebim următoarele straturi :

1. TROPOSFERA este stratul de aer cel mai apropiat de suprafaţa Pământului, care la

Ecuator are o grosime de 15 km, iar la poli 10 km. Gradientul de temperatură mediu este -6,5oC/km, adică îndepărtându-ne cu 1 km de suprafaţa terestră temperatura scade cu 6,5 oC.

Această scădere importantă de temperatură produce o convecţie intensivă, motiv pentru care

acest strat este scena fenomenelor meteorologice. În troposferă se află 99% din masa totală a

aerului.

2. STRATOSFERA se întinde de la aşa numită TROPOPAUZĂ – care este stratul

limită, de temperatură constantă în partea de sus a troposferei – până la înălţimea de 50 km. În

această zonă, din cauza conţinutului de ozon, cu creşterea înălţimii creşte temperatura, adică

se constată o inversie şi ca atare amestecarea pe verticală este slabă. Partea de sus se numeşte

STRATOPAUZĂ care are o temperatură de aproximativ 10oC.

3. MEZOSFERA – se întinde între 50 şi 85 km pe verticală, are un gradient de

temperatură negativ, temperatura coboară până la -80oC, care este punctul cel mai rece al

atmosferei. MEZOPAUZA (regiunea până unde ajung prafurile vulcanice în atmosferă) poate

fi considerată limita superioară a atmosferei.

4. TERMOSFERA se întinde de la mezopauză până la câteva sute de kilometri

înălţime. Intensitatea radiaţiei UV aici este deja semnificativă şi de aceea moleculele O2 şi N2


disociază uşor. Gradientul de temperatură al acestui strat este pozitiv, la peste 200 km

temperatura este deja 1700oC. Densitatea de molecule aici este doar 1/1.000.000 din valoarea

măsurată la nivelul mării.

Figura 1. Structura atmosferei

5. EXOSFERA este regiunea situată deasupra termosferei unde particulele obţin

energie cinetică mare în câmpul electromagnetic şi astfel reuşesc să scape din atracţia

gravitaţională a Pământului. Din acest motiv aici concentraţia de particule este minimă.

Particulele încărcate electric au importanţă mare în atmosferă deoarece procesele

electrice şi magnetice sunt determinate de ele. Importanţa lor cea mai mare este în privinţa

undelor radio. De aceea merită să amintim separat IONOSFERA care se găseşte în

MEZOSFERĂ şi TERMOSFERĂ, peste înălţimea de 60 km. Apariţia ionilor se datorează în

primul rând radiaţiei UV venită de la Soare şi la această înălţime efectul ionizant este foarte

puternic. Concentraţia electronilor este cea mai mare la înălţimea de 300 km, unde poate

atinge chiar valoarea 106 cm-3.

Şi în stratosferă se pot găsi electroni într-un număr mic datorită radiaţiei cosmice şi de fapt

există chiar şi în apropierea suprafeţei terestre, datorită radiaţiei radioactive.

Ionosfera a fost descoperită de Marconi în 1901 când a reuşit între Anglia şi America să

realizeze legătura radio. Undele radio se propagă în linie dreaptă, suprafaţa Pământului însă

este curbată, astfel fenomenul a fost explicabil doar presupunând reflexia undelor radio.


I.2. Aerosolii atmosferici

Numim aerosol ansamblul de particule solide sau lichide fin dispersat în mediu gazos.

Excluzând stropii de nor şi precipitaţia, mărimea particulelor de aerosol poate fi de la

mărimea unui grup de molecule (câţiva nm) până la ordinul de 10 µm; forma şi compoziţia lor

chimică sunt foarte diferite în funcţie de originea lor. Aceste particule joacă un rol important

în procesele fizice şi chimice de bază ale atmosferei, sunt determinante şi în ceea ce priveşte

poluarea aerului, de aceea caracterizarea lor cantitativă şi calitativă precum şi cunoaşterea

originii lor sunt foarte importante.

Fond natural de aerosol se consideră în special aerosolii originari din sol sau din apa

oceanelor. Aceşti aerosoli provin de obicei din particule mai mari de 1 µm.

Aerosolii de pe uscat iau naştere în special sub influenţa vântului, când de pe sol şi stânci

vântul rupe particule mici. Cele mai spectaculoase forme sunt norii de praf şi furtunile de praf.

Descrierea concretă a procesului este foarte dificilă, dar probabil mişcarea turbulentă a

aerului ridică particulele în atmosferă. În plus, activitatea vulcanică este importantă, ea fiind

responsabilă de aproximativ jumătate din praful continental.

O cale de apariţie a aerosolilor de origine marină este că vântul ia picături de pe creasta

valurilor, care însă sunt prea mari şi cad repede înapoi pe suprafaţa apei. A doua cale mai

eficientă de apariţie a aerosolilor este atunci când bulele ajungând la suprafaţa mării

explodează. În urma exploziei bulelor ţâşneşte o dâră de apă care ridică particulele mici în

atmosferă. Apariţia bulelor – cum au demonstrat şi observaţiile – se intensifică cu creşterea

vitezei vântului. Aerosolii de origine marină conţin mai ales Na, Mg, Cl, K, Ca, Br, conform

compoziţiei sărurilor apei mării.

Concentraţia relativ mare de Cl şi S indică faptul că în cazul aerosolilor marini trebuie să

ţinem cont şi de emisia biologică.

În cursul măsurătorilor exacte a reieşit şi faptul că junglele emit de asemenea aerosol care

conţine concentraţii mari de fosfor, sulf, potasiu, magneziu. Astfel de proces de emisie de

aerosol poate fi de exemplu transportul polenului de flori, respiraţia, metabolismul, respectiv

eliberarea de ceară a plantelor. Acolo unde este semnificativă emisia de către plante, emisia

solului este nesemnificativă, deoarece solul este acoperit de plante. In locurile emisiei de către

plante se pot observa diferenţe semnificative în funcţie de oră, anotimp şi loc în conformitate

cu schimbările proceselor biologice.

Aerosolii cu o rază mai mică de 1 µm, numiţi aerosoli fini, iau naştere prin reacţii chimice,

condensare şi nucleaţie. Atmosfera pe lângă vaporii de apă conţine acid sulfuric, acid nitric şi

acid organic, ai căror apariţie în atmosferă a fost precedată de o reacţie chimică. În cazul


acidului sulfuric de exemplu, carbonul elementar din atmosferă absoarbe moleculele de SO2

care după aceea se transformă în acid sulfuric. Numim nucleaţie procesul prin care în anumite

puncte ale spaţiului din faza mai ordonată – de exemplu din vapori – apare lichid. Nucleaţia

poate fi omogenă când sunt prezenţi doar vaporii condensabili (ei formează în cursul mişcării

lor dezordonate focare), respectiv heterogenă, când în condensare participă şi nuclee străine.

Majoritatea particulelor de aerosoli atmosferici sunt solubile în apă. Dacă creşte umiditatea în

jurul unei particule „uscate” care este solubilă în apă, la început dimensiunea particulei nu se

modifică. Dacă însă, umiditatea din jur depăşeşte un prag, atunci particula solidă devine un

strop de soluţie saturată şi dimensiunea ei creşte. Deci, cu creşterea umezelii picătura devine

din ce în ce mai diluată, în timp ce raza picăturii devine din ce în ce mai mare.

1.3. Clasificarea particulelor de aerosoli după dimensiune şi mărime

O caracteristică foarte importantă a particulelor de aerosoli este dimensiunea, aceasta

determină raportul forţelor ce acţionează asupra particulei şi intervalul de timp petrecut de ea

în atmosferă.

Forţa cea mai importantă ce acţionează asupra aerosolilor este forţa de gravitaţie sub influenţa

căreia particule din aer sedimentează. Dacă această viteză de viteză de sedimentare (v)

depăşeşte o anumită valoare, particula părăseşte atmosfera în scurt timp şi se depune pe

suprafaţă terestră. În caz de sedimentare uniformă, rezultanta forţelor ce acţionează asupra

particulei – forţa de gravitaţie, forţa de sustentaţie şi forţa de rezistenţă din partea mediului

(de tip Stokes) este nulă:

3

gr4vr63

gr4 3l3 ⋅⋅⋅⋅+⋅⋅⋅⋅=

⋅⋅⋅⋅ πρηπ

πρ (1)

unde r este raza particulei; ρ , lρ - densitatea particulei, respectiv a aerului; v - viteza

particulei; η - coeficientul de frecare internă a mediului.

Viteza de sedimentare devine:

ηπρρ

18gr4)(v

2l ⋅⋅⋅⋅−= (2)

şi se vede că ea creşte cu pătratul razei particulei, ceea ce determină scăderea semnificativă a

numărului particulelor mai mari. Este de înţeles deci, că în atmosferă se găsesc doar un număr

foarte mic de particule cu rază mai mare de 100 µm şi acestea se găsesc doar în vecinătatea

surselor.


Numărul particulelor cu rază mai mică de 0,1 µm este reglat de un alt proces: coagularea.

Particulele în cursul mişcării lor dezordonate se ciocnesc, în urma ciocnirii se pot contopi şi

formează unităţi mai mari şi astfel numărul particulelor scade. Viteza coagulării este mai

importantă în cazul concentraţiei mai mari şi dimensiuni de particule mai mici.

Sedimentarea gravitaţională scade concentraţia particulelor mai mari de 0,1 µm, iar

coagularea scade concentraţia particulelor mai mici de 1 µm. În conformitate cu aceasta, în

troposferă timpul de şedere cel mai mare au particulele cu raze între 0,1 - 1 µm. Mai trebuie

luată în seamă şi aşa numita sedimentare uscată, care scade mult numărul particulelor mai

mici de 0,1 µm precum şi aşa numita sedimentare udă, care extrage particule cu raza 0,1 - 1

µm, în cursul proceselor de formare a precipitaţiilor.

Numărul aerosolilor atmosferici în troposferă este foarte variabil. Deasupra oceanelor

concentraţia este de 10 – 104 cm-3, iar deasupra uscatului, pe teritorii nepoluate 103-104 cm-3;

în schimb în aerul poluat al oraşelor concentraţia de particule depăşeşte valoarea de 105 cm-3.

Deasupra oceanelor valoarea este aproape independentă de înălţime, deasupra uscatului însă

scade exponenţial cu înălţimea, apoi de la 4-5 km înălţime rămâne constantă şi corespunde

aproximativ valorii de deasupra oceanelor.

În diferitele straturi ale atmosferei timpii de şedere ai particulelor de aerosol prezintă diferenţe

mari. În troposfera de jos, în general, este scurt, în medie 6-14 zile, ceea ce se datorează în

special amestecării, din cauza diferenţei de temperatură. În schimb, în stratosferă timpul de

şedere poate ajunge la 1-5 ani, deoarece datorită temperaturii relativ constante amestecarea

straturilor este mai puţin importantă.

În funcţie de mărimea lor, aerosolii se pot împărţi în 3 grupe mari:

• particule Aitken

Acestea formează nuclee de condensare şi în general părăsesc atmosfera prin

absorbţie.

• particule mari (0,3 – 3 µm)

Se formează prin coagulare, mod caracteristic pentru particule mai mici. Deoarece

petrec scurt timp în atmosferă, nu este timp pentru creşterea mărimii lor. În general,

părăsesc atmosfera prin sedimentare umedă.

• particule uriaşe (> 3 µm)

Iau naştere prin divizarea particulelor mari, sedimentarea lor gravitaţională este

importantă.

Particulele mari şi uriaşe sunt responsabile de nebulozitatea atmosferei.

Aerosolii se mai pot clasifica şi după compoziţia lor de fază.

• Ceaţă fină – dacă în faza gazoasă s-a dispersat substanţă lichidă;


• Fum, Praf – în acest caz, particule solide se găsesc în atmosferă;

• Ceaţă – dacă numărul picăturilor de apă sau de lichid este mare;

• Smog – în acest caz sunt prezente concomitent şi fum şi ceaţă;

• Voal de ceaţă – când terenul ceţos este caracterizat de vizibilitate pe o scurtă distanţă.

1.4. Aerosolii de origine antropogenă

Emisia de aerosol antropogen produce aproximativ o treime din cantitatea de aerosol

atmosferic. Această emisie este legată în special de arderea combustibililor organici care au

loc în procese industriale respectiv în cazul mijloacelor de transport.

Astfel, unităţile industriale, fabricile de prelucrare a metalului, uzinele de ciment, motoarele

cu ardere internă, etc. sunt izvoare principale de aerosoli, dar mai trebuie să luăm în

consideraţie şi incendiile de păduri, încălzirea locuinţelor prin arderea cărbunelui, motorinei,

lemnului.

La termocentralele pe bază de cărbuni are importanţă că o mare cantitate de materie minerală

este conţinută în cărbune, care nu se arde şi în mare parte – deşi se folosesc filtre – ajunge în

atmosferă. Conform acestui fapt, se constată diferenţe apreciabile în compoziţia elementelor

din aerosolii proveniţi de la unităţi cu ardere de cărbune, respectiv de ţiţei. În ultimul caz

există puţine elemente, în special S, Mg, Na, V, iar la arderea cărbunilor apar mult mai multe

elemente, în cantităţi mari fiind Al, Si, Fe, Mg, K, Ca.

Una din consecinţele cele mai importante ale activităţii de poluare umană este smogul.

Apariţia smogului pe lângă poluarea atmosferică mare este determinată şi de factori

meteorologici, de relief, respectiv factori atmosferici. Formarea lui este prielnică, în special în

locuri din văi, unde se produce inversiune de temperatură. Sub influenţa acesteia în văi aerul

rece se aşează la adâncime şi pe el se stratifică aerul cald. Din cauza densităţilor nu apare

convecţie, adică aerul cald într-un fel închide aerul poluat.

Dacă aerul poluat are conţinut mare de praf, negru de fum, bioxid de sulf, monoxid de

carbon, vorbim de smog reductiv sau de tip London. Smogul reductiv apare dacă

temperatura este în jur de 0oC, iar umiditatea este cel puţin de 80%. De aceea în clima

moderată apare între noiembrie – ianuarie, în special în orele dimineţii şi serii.

În smogul oxidant sau de tip Los Angeles, componentele principale sunt ozonul, oxizii de

azot şi compuşii organici. În smogul de acest tip şi în cursul reacţiilor fotochimice, apar

compuşi cu proprietăţi puternic oxidante. Apariţia lor este condiţionată de o temperatură în jur


de 30oC, umiditate sub 70%, ca atare în clima moderată sunt de aşteptat în lunile ianuarie şi

septembrie, în special la orele prânzului.

1.5. Echilibrul radiaţiei Pământului

Marea majoritate a energiei Pământului provine de la Soare. Afirmaţia este întărită,

dacă adăugăm că purtătorii de energie fosilă apar tot datorită efectelor radiaţiei solare.

Soarele, practic poate fi considerat ca un corp negru, având temperatura la suprafaţă de

5800 K. Conform legii de radiaţie a lui Planck, 48% din distribuţia spectrală a energiei

provenită de la Soare este din domeniul vizibil, maximul intensităţii fiind la lungimea de undă

de 500 nm. Suprafaţa Pământului are temperatura de 288 K, ca atare radiaţia termică terestră

este în întregime din domeniul infraroşu, maximul intensităţii fiind la 104 nm.

La marginea superioară a atmosferei ajunge, în medie, de la Soare radiaţie de

intensitate 343 W/m2, valoare numită radiaţie brută incidentă. Din aceasta, din atmosferă se

reflectă 26%, iar de pe suprafaţa Pământului încă 4%, ceea ce înseamnă că în total 30% din

energia radiaţiei solare ajunsă în atmosferă va fi reflectată. Ca atare, radiaţia netă incidentă

este de 70%, adică se absoarbe în atmosferă şi pe suprafaţa terestră o radiaţie de intensitate

240W/m2.

Figura 2 – Distribuţia radiaţiei solare


Din radiaţia incidentă brută 39% se absoarbe în atmosferă şi astfel suprafaţa terestră va

absorbi aproximativ 31% din energia radiaţiei sosite de la Soare. 99% din energia absorbită la

suprafaţa terestră va fi folosită de sisteme fără viaţă (atmosferă, hidrosferă, litosferă, criosferă)

şi 1% de biosferă (vietăţi).

La calcularea temperaturii medii globale a Pământului, presupunem că radiaţia termică ce

ajunge pe Pământ din Soare, precum şi energia radiaţiei termice emise de Pământ către

Cosmos sunt în echilibru. Legea Stefan-Boltzmann, precum şi cunoaşterea constantei solare,

permit scrierea acestui echilibru:42

22 4)1( TRlR ⋅⋅⋅⋅=−⋅⋅⋅ σπρπ (3)

unde

2l - este constanta solară are valoarea 1370 W/m2 (reprezintă energia care ajunge de la Soare,

pe unitatea de suprafaţă în unitatea de timp, perpendiculară pe direcţia radiaţiei la distanţa

medie Soare – Pământ). O pătrime din constanta solară corespunde intensităţii radiaţiei solare

medii care atinge atmosfera exterioară a Pământului.

ρ - albedo planetar, reprezintă reflexivitatea Pământului faţă de radiaţia solară. Valoarea este

dată de raportul intensităţii radiaţiei reflectate şi incidente. Întrucât suprafaţa terestră şi

atmosfera împreună reflectă 30% din radiaţia incidentă, valoarea medie este 0,3.

σ - constanta lui Stefan-Boltzmann.

R - raza Pământului.

T - temperatura suprafeţei Pământului.

Din ecuaţia (3) pentru temperatura de echilibru la suprafaţa Pământului se obţine 255 K.

Tipul suprafeţei Valoarea albedo (%)

Apă

Zăpadă proaspătă

Zăpadă stătută

Sol negru, umed

Sol nisipos

Lan de grâu

Iarbă

Tundră

Pădure de conifere

Pădure de stejari

max 80

75-90

40-70

5-15

35-45

15-25

10-20

15-20

5-15

10-20

Figura 3. Valoarea albedoului planetarpentru diferite tipuri de suprafeţe


Se poate exprima sensibilitatea temperaturii de echilibru în funcţie de constanta solară sau de

schimbările albedoului planetar, adică gradientul temperaturii de echilibru după constanta

solară, respectiv după albedoul planetar:

WmK

dkdT 2

046,0 ⋅= (4)

KddT 91−=ρ

(5)

Din ecuaţia (5) se vede că temperatura de echilibru se modifică semnificativ dacă se modifică

valoarea albedoului. O creştere cu 0.01 a albedoului înseamnă o scădere de temperatură cu

0,91 K.

Radiaţia incidentă în funcţie de latitudine atinge suprafaţa sub diferite unghiuri.

Fasciculul de radiaţie de secţiune unitate, îndreptându-se spre Poli, va acoperi o suprafaţă din

ce în ce mai mare şi astfel scade energia pe unitatea de suprafaţă. Deci intensitatea radiaţiei

incidente depinde de cercul de latitudine. Calculele se complică căci axa Pământului face un

unghi de 23,5o cu normala eclipticii pentru albedo. Luând şi acest fapt în considerare, se

obţine în jurul Ecuatorului, în medie, 20% şi la poli peste 70%.

Din punctul de vedere al bilanţului energetic de suprafaţă este determinant în ce raport

se găsesc energia absorbită şi emisă, adică dacă apare surplus de energie sau deficit de

energie.

Între cercul de latitudine 40 şi Ecuator apare surplus de energie, iar în direcţia polilor apare

deficit de energie. Din această cauză temperatura suprafeţei terestre diferă considerabil la

diferite cercuri de latitudine.

Modificarea temperaturii de echilibru a suprafeţei terestre poate fi cauzată şi de

schimbarea constantei solare, cum se vede din ecuaţia (4). Creşterea cu 1% a constantei solare

determină o creştere de temperatură cu 0,63 K. Dar în ultimii 100 de ani variaţia activităţii

solare nu a depăşit valoarea de 1 miime.

1.6. Spectrul radiaţiei solare în atmosfera Pământului

Spectrul radiaţiei Soarelui măsurat în afara atmosferei terestre corespunde spectrului

de emisie al corpului negru având temperatura Soarelui. Diferenţele mai mici se pot explica

cu efectul modificator al atmosferei exterioare a Soarelui.

Spectrul măsurat la suprafaţa Pământului prezintă deja diferenţe esenţiale, astfel:

- scădere de intensitate în domeniul vizibil

- scădere importantă de intensitate în domeniul ultraviolet

- benzi de absorbţie în domeniile ultraviolet, vizibil şi infraroşu.


Figura 4. Spectrul de radiaţie al Soarelui

În domeniul vizibil scăderea observată se explică prin procesele de difuzie optică.

Radiaţia UV îndepărtată este absorbită de moleculele N2 şi H2. Tot în domeniul UV absorb

O2, vapori de apă, molecule de CO2, dar ele absorb şi în domeniul infraroşu. Radiaţia de

energie mare, din UV îndepărtat, practic este absorbită din spectru de straturile de aer la peste

40 km. Conţinutul de ozon al stratosferei scade în continuare componentele de UV, astfel în

troposferă ajunge doar radiaţia cu lungime de undă mai mare ca 270-300 nm. Importanţa cea

mai mare a acestui fapt este că în partea cea mai inferioară a atmosferei nu ajunge radiaţie de

energie mare care ar descompune moleculele H2O şi CO2 – necesare fotosintezei. Energia

radiaţiei care ajunge în troposferă este utilă doar pentru excitarea vibraţiilor moleculelor H2O

şi CO2, dar nu determină procese chimice. Însă legăturile slabe ale NO2, O3 şi formaldehidei

se pot rupe sub influenţa radiaţiei ce ajunge în straturile atmosferice mai adânci şi radicalii

astfel apăruţi pot porni numeroase reacţii în lanţ.

1.7. Efectul de seră

Prin efect de seră înţelegem acea încălzire raportată la starea de echilibru ce se poate

constata în apropierea suprafeţei terestre, care apare datorită creşterii concentraţiei

componentelor din atmosferă care sunt capabile de absorbţie.

Atmosfera lasă să treacă aproximativ jumătate din energia radiaţiei solare, adică o

putem numi „transparentă”. În ce priveşte radiaţia IR emisă de Pământ, o absoarbe în mare


parte. Aceasta este cauza încălzirii aerului din apropierea solului. Energia radiaţie de lungime

de undă lungă, emisă de Pământ, corespunde diferenţei dintre nivelele de energie de rotaţie şi

vibraţie ale moleculei CO2, adică poate excita stările de vibraţie respectiv de rotaţie. Molecula

astfel excitată emite radiaţie electromagnetică şi astfel creşte temperatura straturilor mai joase,

precum şi aşa numitul nivel de emisie al Pământului. Aceasta înseamnă că aparent Pământul

este capabil de emisie şi deasupra suprafeţei . Graţie efectului de seră natural al atmosferei

temperatura medie a suprafeţei terestre în loc de -18oC este 15oC, ceea ce este foarte

important pentru apariţia apei lichide şi dezvoltarea vieţii.

Figura 5. Interpretarea efectului de seră

În atmosferă pe lângă CO2 se găsesc şi alte gaze cu efect de seră. În absorbţia radiaţiei

infraroşii emise de Pământ contribuţia gazelor individuale este CO2 55%, NO2 6%, metan

15%, freoni 17%, alte gaze 7%. Vaporii de gaz, datorită concentraţiei lor foarte variabilă, nu

intră în această enumerare. Dar şi vaporii de apă contribuie puternic la apariţia efectului de

seră, conform unor ipoteze chiar într-o măsură ce depăşeşte rolul CO2-ului. Trebuie făcută

distincţie şi în eficienţa relativă a unor gaze, care este legată de energia absorbită de o

moleculă. Această valoare la diferite gaze este: CO2 -1, CH4-30, N2O-150, O3-2000, freoni-

10-4.

Mult timp s-a disputat efectul de creştere a temperaturii al acestor gaze, deoarece

există şi procese cu efect contra încălzirii de exemplu absorbţia CO2 de apa oceanelor. S-a

reuşit însă găsirea dovezii iredutabile pentru legătura dintre conţinutul CO2 din atmosferă şi

creşterea temperaturii. S-au studiat captările de gaz ale păturii de gheaţă de la Polul Sud

referitor în ultimii 160 mii ani. Captările de aer reflectă compoziţia de aer şi astfel prin

metode analitice se poate da retroactiv conţinutul de CO2.

Pe baza compoziţiei de izotopi de oxigen din mostra de gheaţă se poate deduce

temperatura. La temperatură mai joasă se condensează mai uşor apa cu conţinut de O16 de

masă mai mică şi astfel raportul izotopilor O16 şi O18 din mostră indică bine temperatura de

suprafaţă din acea vreme.


Tot existenţa efectului de seră demonstrează acele rezultate care s-au obţinut cu

măsurătorile din ultimii 110 ani. Conform acestora, în acest timp încălzirea globală a fost cam

de 0,6 K, iar concentraţia CO2 în atmosferă a crescut de la 290 ppm la 350 ppm datorită

folosirii combustibililor fosili precum şi defrişării pădurilor (1 ppm=10-6). Pe lângă aceasta, se

poate observa şi o creştere asemănătoare şi în ceea ce priveşte cantitatea unor gaze cu efecte

asemănătoare, cantitatea metanului a crescut mult în urma dezvoltării zootehniei, cea a N2O în

urma fertilizării cu îngrăşăminte chimice, iar freonii doar în ultimii 100 ani puteau să apară în

atmosferă.

Gazul de seră cel mai important este vaporul de apă, în primul rând prin nori.

Cantitatea de apă din atmosferă este apreciată la 1013 tone, iar valoarea ei este influenţată doar

puţin de activitatea umană.

Figura 6. Abaterea temperaturii medii terestre de media din perioada 1961-1990

Cantitatea de bioxid de carbon în atmosferă este 22108,2 ⋅ tone, iar prin arderea

combustibililor fosili anual ajung în atmosferă alte 10102 ⋅ tone de bioxid de carbon, ceea ce

reprezintă aproximativ 1% din cantitatea totală. Trebuie luat în seamă şi faptul că din cauza

defrişărilor de păduri tropicale „ajung” în aer anual alte 9105 ⋅ tone bioxid de carbon.

Moleculele de bioxid de carbon petrec în medie 10-15 ani în atmosferă, adică aparţin gazelor

atmosferice cu durata de viaţă relativ lungă.

Cantitatea de metan atmosferic este de 10105 ⋅ tone, formându-se mai ales prin

descompunerea anaerobă a materialelor organice, deci agricultura este izvorul lui principal.

Anual în medie 6105,0 ⋅ tone de metan ajung în atmosferă, cu durata medie de viaţă de 5-10

ani. Cantitatea totală de NO2 este de 22108,2 ⋅ tone, anual ajungând în atmosferă 61050 ⋅

tone, mai ales din solurile pădurilor tropicale, respectiv din îngrăşăminte chimice folosite din

diferite procese din industria chimică. Viaţa medie în atmosferă este mai lungă de 100 de ani.

Hidrocarburi halogenate (freoni, haloni) se găsesc în atmosferă în cantitate de 7103 ⋅ tone,


fiind produse în totalitate în timpul activităţilor antropogene. Întrucât din punct de vedere

chimic sunt foarte inactive, timpul petrecut în atmosferă poate fi chiar şi de ordinul 100-1 000

de ani.

Toate aceste exemple arată că, în special datorită activităţii umane, cantitatea gazelor

de seră ar creşte continuu în atmosferă. Un alt fapt important este că viaţa medie în atmosferă

a acestor gaze este foarte lungă şi astfel pot ajunge uşor în stratosferă unde se pot amesteca

uşor şi astfel reprezintă o problemă globală. Altfel spus, chiar în urma unor restricţii abia după

trecerea câtorva decenii ne putem aştepta la schimbări pozitive.

Pentru a descrie dezvoltarea ulterioară a efectului de seră este nevoie de modele foarte

complicate care să ţină seama şi de următoarele procese parţiale:

• accelerarea proceselor de asimilare, creşterea cantităţilor de biomasă reduce cantitatea

de CO2 din atmosferă, adică scad efectul de seră;

• accelerarea circulaţiei de apă, descompunerea pietrelor de pe suprafaţă cresc

concentraţia de CO2 atmosferic, respectiv efectul de seră;

• efectul norilor este dublu. Pe de o parte cresc efectul de seră, care înseamnă încălzire,

iar pe de altă parte cresc şi albedoul Pamîntului, care duce la răcire;

• trebuie ţinut cont bineînţeles şi de procesele care influenţează cantitatea altor gaze cu

efect de seră.

Conform estimărilor actuale, în 50 de ani ne putem aştepta la o creştere de temperatură de 1,5-

2,6 K, ceea ce ar avea deja consecinţe importante pe termen lung şi anume: dacă comparăm

starea actuală cu aşa numita eră glaciară între 1550-1850, când temperatura medie era cu 1K

mai mică decât cea actuală, atunci se pot face previziuni privind modificări în sens contrar.

În cazul unei creşteri de temperatură cu 1,5 K:

• se topesc la poli straturile de gheaţă, astfel nivelul crescut al oceanelor ar acoperi

teritoriile joase de-a lungul ţărmurilor;

• climele potrivnice agriculturii s-ar muta spre nord, iar teritoriile sudice s-ar deşertifica;

• ar creşte temperatura oceanelor, iar în apă mai caldă gazele sunt mai puţin solubile. Ca

urmare, oceanele ar ceda o parte din CO2 solubilizat în ele, ceea ce, ca o reacţie în lanţ,

ar intensifica în continuare efectul de seră.

La nivelele actuale de folosire a combustibililor fosili, concentraţia de CO2 în atmosferă va

creşte în continuare. De aceea, în scopul scăderii efectului de seră sunt necesare următoarele:

• reducerea drastică a folosirii combustibililor fosili, respectiv folosirea lor cu un

randament mai mare, energoeconomic;

• împiedicarea intensivă a emisiei gazelor atmosferice antropogene;

• căutarea altor surse de energii alternative, limitarea producerii de energie


• introducerea pe scară largă a programelor de împădurire.

Pe plan mondial există deja cercetări privind modificările climaterice şi deja există hotărâri

luate în vederea stopării şi redresării proceselor nefavorabile.

În 1992, la Rio de Janeiro, la Conferinţa „Mediul şi dezvoltare” organizată de ONU s-a

realizat un program-cadru al cărui scop principal este ca în anul 2000 emisia gazelor de seră

să coboare la nivelul anului 1990.

În 1997 la Kyoto s-a convenit ca ţările semnatare până în 2012 să reducă emisia celor şase

principale gaze de seră, în medie, cu 5,2% faţă de nivelul din 1990. Procentajele ce revin

individual ţărilor variază.

1.8. Ozonul atmosferic

Ozonul (O3) a fost descoperit de Schrober în 1840, când a observat că în timpul funcţionării

aparatelor electrice ia naştere o substanţă cu un miros caracteristic. Această substanţă a

denumit-o ozon, care provine din cuvântul grecesc „ozein” (a mirosi). Hartley pe baza

observaţiilor sale din 1880, a presupus că lipsa benzii de lungime de undă mai scurtă de 0,3

µm din spectrul solar este consecinţa absorbţiei ozonului.

În 1918 s-a arătat că pentru acest proces de absorbţie nu este suficient conţinutul de ozon al

aerului în apropierea solului.

Prin măsurători cu spectrometru s-a reuşit determinarea variaţiei nivelului de ozon în funcţie

de înălţime şi a reieşit că cea mai mare concentraţie de ozon se găseşte la înălţime de 22 km.

S-a determinat de asemenea, că 90% din cantitatea de ozon se găseşte în stratosferă.

Grosimea exactă a stratului de ozon, datorită concentraţiei mici, nu se poate da decât foarte

imprecis. Conform calculelor, în atmosferă se găsesc 9105,3 ⋅ kg ozon. Ilustrativ, cantitatea

totală de ozon, dacă s-ar afla în apropierea suprafeţei terestre – în condiţii normale de presiune

– ar avea o grosime de 3-4 mm. Unitatea de măsură folosită pentru concentraţia de ozon este

Dobson: 1 unitate Dobson, adică 1 DN, este cantitatea de ozon ce se găseşte în stratul de ozon

de grosime 0,01 mm deasupra locului respectiv, la presiunea şi temperatura de suprafaţă.

Cantitatea ozonului atmosferic conform acestei unităţi este de 300-400 unităţi Dobson.

Distribuţia concentraţiei de ozon variază în funcţie de anotimp, respectiv latitudine. Valoarea

cea mai ridicată este la Polul Nord primăvara. La nivelul Ecuatorului valorile sunt mici, deşi

aici ne-am aştepta la nivel mai ridicat datorită proceselor fotochimice numeroase. Acest lucru

arată că circulaţia atmosferică din stratosferă are şi ea un rol important în îmbogăţirea

ozonului.


Teoria formării şi descompunerii ozonului a fost elaborată de Chapman în 1930. Primul pas al

procesului este absorbţia radiaţiei UV de către molecula de oxigen, în urma ei formându-se

oxigen atomic. Atomul de oxigen, foarte reactiv, intră repede în reacţie cu oxigenul

molecular şi se formează ozon:

O2+hν 2O (a)

O+O2+M O3+M (b)

unde hν este energia fotonului absorbit, M un al treilea element (de exemplu azot).

Ozonul se descompune prin fotoliză , respectiv sub influenţa oxigenului atomic:

O3+hν O+O2 (c)

O+O3 2O2 (d)

Fotoliza şi astfel descompunerea ozonului este eficientă în special ziua. După

apunerea Soarelui viteza proceselor scade rapid, dar cum scade şi viteza formării, în timpul

zilei nu se modifică concentraţia de ozon.

S-au făcut şi măsurători privind variaţia vitezei de formare a ozonului în funcţie de

latitudine şi înălţime. Viteza de formare creşte primăvara la înălţimi mai mari înspre Ecuator.

Conform măsurătorilor concentraţia de ozon nu urmăreşte acest rezultat, ci spre Poli

concentraţia este mai mare la înălţimi mai mari, iar la Ecuator în straturile mai joase creşte

concentraţia de ozon.

Această diferenţă se poate explica prin condiţiile de circulaţie atmosferică primăvara. În

emisfera nordică aerul circulă la Ecuator în sus şi apoi spre Poli, unde aerul descedent

îmbogăţeşte conţinutul de ozon al aerului.

Deja în anii 1960 s-a presupus că atomii de O, respectiv molecule de O3, dispar din atmosferă

şi prin procese catalitice. De exemplu descompunerea ozonului poate fi iniţiată şi de NO:

NO+O3 NO2+O2 (e)

NO rezultă din N2O şi timpul petrecut de el în troposferă este foarte mare şi astfel poate

ajunge în stratosferă unde poate reacţiona cu atomi de oxigen excitaţi (O*).

N2O+O* 2NO (f)

(Numărul atomilor de oxigen excitaţi este foarte mare în stratosferă datorită fotolizei O3,

respectiv O2). N2O sub acţiunea fotonilor poate disocia în O şi NO şi acest proces favorizează

descompunerea ozonului. Oxizii de acest fel pot fi originari din sol, deci şi procesele

biologice din sol pot influenţa cantitatea ozonului atmosferic. Bineînţeles emisia de NO a

avioanelor este şi ea un factor important în acest proces.

În 1974 s-a arătat că şi freonii participă la descompunerea ozonului. Ca un prim pas, freonul

se descompune sub influenţa radiaţiei UV şi rezultă atom de clor:

CF2Cl2+hν CF2Cl+Cl (g)


Atomul de clor este iniţiatorul proceselor ulterioare. Conform analizelor amănunţite, un singur

atom de clor poate cauza descompunerea a 100 000 de molecule de ozon.

Freonii sunt gaze folosite în tehnologia industrială din anii 1930 şi se folosesc ca agent

de răcire respectiv gaz purtător, datorită efectului lor chimic neutru, stabilităţii mari,

manipulării fără pericole şi lichefierii lor uşoare. Deoarece moleculele de freon sunt foarte

stabile, ele pot ajunge fără descompunere până la stratosferă, stratul cu conţinut mare de ozon.

Procesul de descompunere al ozonului este dovedit şi de faptul că, deşi utilizarea gazului

freon a crescut, din ce în ce mai puţin freon a putut fi pus în evidenţă în aer. Scăderea acestui

gaz chimic inactiv în aer poate fi provocată doar de descompunerea de ozon.

Măsurătorile de ozon deasupra Antarcticii au evidenţiat că de la începutul anilor 1970

în lunile de primăvară cantitatea totală de ozon scade anual. Această scădere numită „gaură de

ozon” se observă şi azi, ba chiar suprafaţa creşte din ce în ce mai mult.

Diminuări asemănătoare s-au observat şi deasupra Australiei, Noua Zeelandă şi S.U.A., dar

dimensiunile cele mai mari sunt deasupra Polului Sud. Cauza este că la Polul Sud în straturile

atmosferice superioare se formează cristale de gheaţă, iar în urma reacţiilor chimice ce au loc

în ele se formează asemenea radicali (Cl) care iniţiază descompunerea ozonului. Procese

asemănătoare se petrec şi deasupra Antarcticii, dar aici formarea vârtejurilor aeriene este mai

slabă datorită prezenţei munţilor înalţi, amestecarea orizontală a aerului este în proporţie mai

mare. Astfel, scăderea ozonului se distribuie pe o întindere mai mare, ca atare proporţia va fi

mai mică.

S-a arătat, că scăderea de ozon se petrece în stratosfera joasă, ceea ce exclude că

diminuarea ar fi provocată de activitatea solară, deoarece efectul radiaţiei aici este mai puţin

intens.

Scăderea concentraţiei de ozon este periculoasă deoarece astfel creşte intensitatea

radiaţiei UV ce ajunge în apropierea solului, ceea ce împiedică dezvoltarea planctonilor, scade

randamentul recoltei plantelor agricole şi creşte riscul îmbolnăvirilor de cancer de piele.

Pe lângă „vara ultravioletă” (datorită subţierii stratului de ozon creşte intensitatea

razelor UV pe suprafaţa terestră) trebuie luată în consideraţie, de asemenea, aşa numita „iarnă

nucleară” (datorită aerosolilor scăpaţi în atmosferă la catastrofe nucleare, stratul în apropierea

suprafeţei terestre se răceşte), fenomen cu efect opus.

Cel mai important mijloc de apărare este interzicerea folosirii hidrocarburilor

halogenate. Nu este o măsură simplă, căci numărul agregatelor de răcire creşte continuu, şi în

plus gazele de freon rămân mult timp în atmosferă.

La sfârşitul anilor 1980 concentraţia de Cl în stratosferă a fost aproximativ 3 ppb ceea ce ar

trebui scăzută la 2 ppb (1 ppb= 10-9 parte).


Procesul verbal din Montreal din 1987 regularizează folosirea freonilor şi dacă se respectă s-

ar atinge diminuarea dorită.

În anumite condiţii meteorologice, cu trafic intens de maşini se formează ozon şi în aerul

apropiat de sol, care ajunge în troposferă. Creşterea concentraţiei de ozon în troposferă

produce multe probleme, căci irită mucoasa nazală, ochii, întăreşte efectul ploilor acide, atacă

frunzele plantelor şi modifică posibilitatea de oxidare a aerului.

Ozonul din troposferă ia naştere sub influenţa radiaţiei solare din reacţiile chimice

între oxizii de azot, monoxid de carbon şi compuşii organici. O parte importantă a acestui şir

de reacţii este o descompunere fotolitică, în care din bioxid de azot rezultă monoxid de azot şi

atom de oxigen, cel din urmă pornind producerea ozonului. Bioxidul de azot se poate forma şi

din monoxid de azot sub influenţa compuşilor organici. In cursul arderii incomplete în

motoarele maşinilor se produce monoxid de carbon care poate produce NO în reacţii de lanţ,

de aceea chiar şi CO poate lua parte la producţia de ozon.

În afara traficului, şi centralele termice sunt emiţătoare importante de oxid de azot şi în plus

există o cantitate mare de oxizi de azot ce scapă în atmosferă în procesele din industria

chimică precum şi la încălzirea locuinţelor:

NO2 + hν NO + O (h)

NO + compuşi organici volatili (VOC) NO2 (i)

Traficul urban în orele dimineţii se intensifică şi astfel creşte şi concentraţia de CO şi

NO în aer. In consecinţă creşte şi concentraţia de ozon. In orele serii din nou creşte

concentraţia de CO şi NO însă fotoliza necesară producerii ozonului nu mai poate avea loc, ca

atare poate avea loc doar procesul de descompunere a ozonului sub influenţa NO, adică

scăderea nivelul de ozon.

Conţinutul de ozon în aerul din apropierea solului nu se datorează numai NO-ului

rezultat din trafic, respectiv din procesele industriale, ci şi proceselor de nitrificare ce au loc în

sol, precum şi incendiile de păduri produc cantităţi importante de NO. Prin arderea biomasei

cantităţi mari de CO şi compuşi organici ajung în atmosferă şi astfel se intensifică producerea

ozonului.

Programul de Mediu al ONU la Conferinţa din Berlin în 1985 s-a ocupat prima dată de

subţierea stratului de ozon din stratosferă şi s-a lansat un program mondial pentru cercetarea

şi ocrotirea scutului de ozon.

Obligaţiile concrete sunt conţinute în Tratatul de la Montreal din 1987, conform căruia – ca

prim pas – utilizarea a cinci compuşi freonici trebuie redusă la nivelul anului 1986, dar pentru

1998 s-a prescris deja o reducere cu 50%. In 1990 la Londra a fost completat tratatul şi anume

aceste substanţe trebuiau înlocuite cu alte substanţe nedăunătoare până în 2000. In 1992 la


Copenhaga au introdus noi restricţii, conform cărora se interzice complet folosirea halonilor

din 1994 şi a altor substanţe, de exemplu unii dezinfectanţi de sol din 1996. In 1995 la Viena

s-au introdus alte restricţii pentru a restabili starea de echilibru al clorului – duşmanul

ozonului în stratosferă.

1.9. Circulaţii atmosferice, conţinutul de apă al atmosferei

1.9.1. Mişcarea maselor de aer

La studiul mişcării unei mase de aer se ia în consideraţie forţa de sustentaţie din partea aerului

înconjurător precum şi forţa de gravitaţie. Din rezultanta lor se obţine acceleraţia a a masei de

aer orientată în sus:

gravsus FFMa −= (6a)

gVgaV ρρρ −′= (6b)

−′

= 1gaρρ (7)

unde ρρ ′, sunt densităţile masei de aer, respectiv a aerului înconjurător. Dacă densitatea

masei de aer este mai mică decât cea a aerului înconjurător mişcarea va fi ascendentă, iar dacă

densitatea masei de aer este mai mare în comparaţie cu aerul înconjurător mişcarea va fi

descendentă.

Densitatea este invers proporţională cu temperatura (se poate observa de exemplu şi pe baza

legii gazului ideal); ecuaţia (7) se poate scrie şi sub forma:

−

′= 1

TTga (8)

Masa de aer se va mişca accelerat în sus până ce are temperatură mai mare decât aerul din

împrejurimi. In timpul înălţării scade temperatura masei de aer. Această răcire se poate

explica prin faptul că în straturile de mai sus se exercită o presiune mai mică asupra masei de

aer şi ea brusc, adică adiabatic, se dilată şi în acelaşi timp temperatura ei scade. Dacă masa de

aer este umedă, apa se condensează în timpul mişcării ascendente deoarece se răceşte.

Datorită căldurii degajate în timpul condensării temperatura aerului umed scade mai puţin,

adică se înalţă cu acceleraţie mai mare decât aerul uscat.

Acceleraţia înălţării depinde deci şi de modificarea temperaturii masei de aer în

mişcare, respectiv a aerului înconjurător o dată cu creşterea înălţimii. Dacă temperatura

aerului în mişcare scade mai puţin ca cea a mediului înconjurător, atunci el se va ridica în


continuu, deoarece astfel totdeauna temperatura masei de aer ascendent este mai mare. Dacă

în atmosferă este inversiune, atunci cu creşterea înălţimii creşte temperatura mediului

înconjurător, iar masa de aer mişcătoare se răceşte continuu.

Când temperatura masei de aer va fi mai mică decât temperatura mediului la acelaşi nivel,

masa de aer rămâne stabilă, adică nu se mai ridică în continuare. În asemenea situaţii se

formează norii plaţi, ondulaţi.

În timpul zilei temperatura masei de aer în apropierea solului se schimbă în conformitate cu

schimbarea intensităţii radiaţiei solare, respectiv a radiaţiei suprafeţei terestre.

Dimineaţa la ora 4 radiaţia suprafeţei terestre este intensă, astfel temperatura straturilor din

apropierea solului scade odată cu temperatura suprafeţei solului, adică apare o inversiune. La

ora 9 solul deja se încălzeşte semnificativ din cauza radiaţiei solare şi astfel temperatura va

scădea o dată cu creşterea înălţimii. La orele prînzului, acest efect va fi cel mai puternic. Pe la

ora 16, o dată cu scăderea radiaţiei solare, straturile aflate aproape de suprafaţă vor fi mai

puţin calde faţă de straturile de la înălţimi mai mari. Apariţia circulaţiilor ascendente depinde

şi de condiţiile termice ale diferitelor nivele ale atmosferei, adică de gradientul vertical de

temperatură. Pe baza criteriului că temperatura masei de aer nesaturat ascendent scade cu

10oC pe 100 m, deosebim trei cazuri:

a) Aerul înconjurător se răceşte cu mai puţin de 10oC pe 100 m. În acest caz aerul

ascendent se răceşte mai mult ca mediul înconjurător, astfel şi densitatea lui creşte

într-o măsură mai mare. La o anumită înălţime, când va avea densitate mai mare decât

mediul înconjurător, începe să coboare. Astfel începe o circulaţie de aer descendent

care încetează când temperatura masei de aer în mişcare devine egală cu cea a

mediului.

b) Scăderea temperaturii mediului pe 100 m înălţime este mai mare decât 10oC. În acest

caz, coloana de aer ascendentă se răceşte mai puţin decât mediul, adică tot timpul va fi

mai caldă şi deci mai puţin densă faţă de el. Această masă de aer se ridică continuu

până ce ajunge la un strat de aer cu care are aceeaşi temperatură. Astfel de circulaţii de

aer ascendente dau naştere la norii denşi la înălţimi mari.

c) Temperatura mediului scade (exact ca şi cea a masei de aer ascendent) cu 10oC pe

100 m. Temperatura şi densitatea celor două mase de aer coincid astfel şi nu se

produce nici o circulaţie ascendentă nici descendentă.

Primul model de descriere a circulaţiei maselor de aer a fost cel unicelular al lui Hadley

din 1735. Ideea fundamentală din acest model a fost că există o circulaţie de aer ascendentă la

Ecuator, iar la poli una descendentă, iar între cele două se formează o celulă compactă.


Această circulaţie de aer la înălţime pornind de la Ecuator spre poli se poate interpreta şi pe

baza cunoaşterii formulei de înălţime barometrică. Pe baza ei, presiunea scade exponenţial cu

creşterea înălţimii:

TRhgM

0epp−

= (9)

unde 0p este presiunea măsurată la nivelul mării, p este presiunea corespunzătoare înălţimii

h , M este masa molară medie a aerului, R este constanta universală a gazelor, T este

temperatura. Temperatura variază cu înălţimea, astfel T înseamnă o temperatură mediată după

înălţime.

Din relaţia (9) se vede că presiunea aerului la o temperatură mai ridicată scade mai

puţin o dată cu creşterea înălţimii, astfel la aceeaşi înălţime deasupra tropicelor presiunea

aerului este mai mare decât deasupra polilor. În regiunea Ecuatorului, Soarele se ridică tot

anul deasupra orizontului, în timp ce regiunile de la poli sunt atinse doar sub un unghi mic.

Asemenea poziţie a Soarelui determină ca suprafaţa terestră – şi împreună cu ea şi stratul de

aer care intră in contact cu suprafaţa – în regiunea Ecuatorului să primească tot anul o

cantitate importantă de căldură. În schimb, în regiunile polare, solul se răceşte mult şi această

pierdere de căldură nu poate fi compensată de efectul de încălzire slab al Soarelui. Astfel pe

Pământ se formează două centre unul de aer rece şi respectiv altul de aer cald. Dacă Pământul

nu s-ar roti în jurul axei sau dacă suprafaţa terestră ar fi peste tot de aceeaşi natură, atunci

circulaţia curgerii maselor de aer ar fi foarte simplă. În acest caz stratul inferior al troposferei

ar fi cel mai cald deasupra Ecuatorului, iar cel mai rece deasupra polilor; astfel presiunea şi

densitatea aerului tot în regiunea polilor ar fi cea mai ridicată, iar deasupra Ecuatorului cea

mai joasă. La înălţime ar fi invers, aer cu presiune şi densitate ridicate deasupra Ecuatorului,

iar scăzut deasupra polilor. Pe suprafaţa terestră s-ar forma un curent de aer care ar duce

masele de aer dinspre poli spre Ecuator, iar în straturile înalte curentul de aer ar duce de la

Ecuator spre poli. În plus, ar exista la poli un curent de aer ascedent.

Mai târziu, pe baza experienţelor navigatorilor s-a elaborat aşa numitul model cu trei

celule. Conform acestuia, există o aşa numită celulă Hadley, care are la tropice o ramură

ascendentă, iar în zonele dintre cercul de latitudine 20o-30o o ramură descendentă. Aerul

foarte umed de deasupra tropicelor se răceşte doar în mică măsură din cauza condensării,

astfel mişcarea ascendentă a acestuia este foarte intensivă.

Ramura descendentă a zonei Hadley se poate explica prin răcirea treptată a maselor de aer ce

se mişcă spre poli. La poli găsim celule polare. Mişcarea lor deasupra polilor este

descendentă, apoi spre sud, respectiv spre nord ascendentă, ceea ce se poate explica prin


încălzirea de acolo. Între cele două celule se găseşte aşa numită celulă Ferrel care se leagă de

ele ca roata dinţată.

Tabloul circulaţiei maselor de aer diferă însă faţă de cele descrise de modelele de mai

sus. Forţa Coriolis care rezultă din mişcarea de rotaţie a Pământului modifică curgerea

maselor de aer. Direcţia mişcării maselor de aer este deviată în emisfera nordică spre dreapta,

iar în emisfera sudică, spre stânga. De-a lungul latitudinii de 30o influenţa rotaţiei Pământului

este atât de puternică încât masele de aer curg deja dinspre sud-vest vest, apoi chiar dinspre

vest. Ca o consecinţă a modificării direcţiei mişcării de aer în jurul latitudinii de 23,5o, în

straturile superioare ale troposferei aerul curge exclusiv din direcţia vest, iar această curgere

este ca un inel ce înconjoară tot globul pământesc. Această curgere de aer dinspre vest

reprezintă o piedică, îngreunează avansarea aerului Ecuatorial spre nord. La latitudinea

geografică de 30o masele de aer se aglomerează, ceea ce duce la creşterea presiunii la

suprafaţa terestră, iar în straturile coborâte ale troposferei întoarce aerul înapoi spre Ecuator.

În timpul întoarcerii, drept efect al rotaţiei Pământului, aerul din nou este deviat spre dreapta

(în emisfera sudică spre stânga) şi în zona dintre latitudinea 30o şi Ecuator este deviat astfel

încât curge din direcţia nord-est. Astfel în această zonă se produce un proces ciclic de

circulaţie. In plus, deasupra Ecuatorului găsim curenţi ascendenţi, iar la latitudinea 30o curenţi

descendenţi.

La latitudini mai mari în emisfera nordică, adică între 30o şi Polul Nord masele de aer

circulă ceva diferit. Pe suprafaţa terestră la nivelul latitudinii 30o se formează o creastă de

presiune ridicată, după care spre poli presiunea scade treptat. În acelaşi timp, din cauza

aglomerării maselor de aer rece în zona polară, la Polul Nord presiunea este mare şi de la Pol

scade treptat mergând spre sud. Astfel, între cercurile de latitudinea 45o şi 70o se formează o

zonă în formă de brazdă cu presiune joasă. Din cauza acestui sistem de presiune în această

parte există doi curenţi de aer: unul de la tropice spre nord, celălalt de la pol spre sud. Din

cauza rotirii Pământului ambii curenţi se întâlnesc astfel că masa de aer din sud (mai cald)

curge aproape exact dinspre vest spre est, iar masa de aer nordic (mai rece) curge aproape

exact dinspre est spre vest.

Rotaţia Pământului împarte atmosfera deci în părţi cu temperatură şi umezeală diferite;

o parte mai caldă care constă din masa de aer din împrejurimea Ecuatorului şi una mai rece

care este formată din aerul polar. Variaţiile de temperatură şi ale altor factori meteorologici

sunt importante când trecem dintr-o masă de aer în alta.

Masa de aer mai cald care încearcă să înainteze de la tropice spre poli se numeşte aer

tropical, iar cea mai rece, care curge dinspre poli spre tropice se numeşte aer arctic. Între


cele două mase de aer, între latitudinile 55o şi 60o se găseşte masa de aer polar care prezintă

proprietăţi tranzitive.

Figura 7. Modelul curenţilor atmosferici

Aceste mase de aer sunt despărţite de zone de trecere, numite suprafeţe de separaţie

sau suprafeţe de front. Prin front atmosferic înţelegem zona de trecere dintre două mase de

aer din troposferă care au proprietăţi fizice diferite. Suprafaţa de front care separă aerul arctic

de cel polar se numeşte front arctic, iar cea dintre aerul polar şi aer tropic se numeşte front

polar. Dintre masele de aer care se întâlnesc de-a lungul suprafeţelor de front, masa de aer

mai cald se ridică şi se mişcă aproximativ în sens contrar faţă de aerul mai rece.

În atmosfera terestră sunt determinante componentele estice şi vestice ale sistemelor

de curenţi. Se deosebesc trei zone de curenţi în troposferă. Deasupra tropicelor vântul pasat

estic este predominant. Grosimea acestuia scade cum ne îndepărtăm de Ecuator. Sub vântul

pasat găsim zona tropicală ascendentă, lăţimea căreia este de câteva grade de latitudine şi îşi

modifică poziţia în fiecare anotimp. În zona moderată se găseşte un curent vestic, care în

lunile de vară se lăţeşte spre poli însă iarna locul lui este preluat la poli de vânturi estice. La

limita troposferei şi stratosferei găsim aşa numiţii curenţi rapizi caracteristic pentru ei fiind

viteza de vânt crescută. Locul curentului alergător este variabil în funcţie de anotimp. În

stratosferă vara predomină vânturi estice, iar iarna vânturi vestice.

În afara sistemelor de vânturi constante, cunoaştem şi aşa numiţii cicloni respectiv

anticicloni, mase uriaşe de aer executând mişcare în vârtejuri, care influenţează puternic

vremea. Ei sunt caracteristici în special pentru clima moderată. Conform modelului lui

Rossby şi Palmer formarea lor se poate interpreta ca rezultatul comun al curgerilor de aer rece

dinspre poli, de aer cald din direcţia Ecuatorului precum şi al curenţilor vestici.

Vânturi esticeCentură de presiune

Vânturi polare

Centură de presiune



Centură de presiuneVânturi polareCentură de presiune

Pasat nord-estic

Pasat sud-estic

Vânturi vestice


Curentul maselor de aer ce se mişcă în direcţia vest-est este perturbat de masele de aer ce

sosesc de la poli, respectiv din direcţia Ecuatorului. Apar oscilaţii de amplitudine mare, în

care masele de aer – în urma frecării aerului – încep să se învârte independent. Apar sisteme

legate gen roţi dinţate. Apar curenţi de aer ascendenţi de presiune joasă - cicloni, respectiv

curenţi de aer descendenţi de mare presiune – anticicloni. Din cicloni – în cazul conţinutului

mare de vapori – se pot aştepta precipitaţii. Bineînţeles şi între cicloni şi anticicloni apare

curent de aer datorită diferenţei mari de presiune.

1.9.2. Apa din atmosferă

În atmosferă se găsesc 4103,1 ⋅ km3 de apă, ceea ce este mai puţin decât o sută de

miime parte din apa totală a Pământului. 99% din apa totală a atmosferei se găseşte în

troposferă şi doar 3% există în stare negazoasă.

Apa ajunge în atmosferă din oceane şi într-o măsură mai mică din apele de pe uscat.

Oceanele furnizează anual 5105,4 ⋅ km3 apă în atmosferă, iar apele teritoriale 51075,0 ⋅ km3.

Din această cantitate de apă, sub formă de precipitaţii cad în oceane 5101,4 ⋅ km3, iar pe uscat51008,1 ⋅ km3. Luând în consideraţie tot Pământul, cantitatea de apă ce ajunge în atmosferă şi

cea care o părăseşte anual în medie este aceeaşi, adică putem vorbi de echilibru. În cazul

uscatului, în schimb, mai multă apă ajunge aici decât ce a plecat, iar în cazul oceanelor este

invers. Evident prin debitele de apă diferenţa de cantitate de apă ajunge înapoi în oceane. Apa

din atmosferă se schimbă în 8-9 zile.

1.9.3. Legătura între circulaţia atmosferică şi conţinutul de vapori de apă

Din punct de vedere al vaporilor de apă aerul poate fi saturat (presiunea p a vaporilor

de apă din ea este egală cu presiunea de vapori saturaţi ps corespunzătoare temperaturii date)

nesaturat (p<ps) şi suprasaturat (p>ps). Dacă aerul saturat devine suprasaturat, surplusul de

apă se condensează.

Suprasaturaţia apare dacă în aer ajung în continuare vapori de apă sau dacă temperatura

aerului scade astfel încât umezeala pe care o conţine este deja suficientă pentru saturaţie.

Următoarele procese favorizează saturarea aerului cu vapori de apă:

- aerul în timpul urcării convective sau dinamice se răceşte;

- straturile de aer apropiate de sol se răcesc puternic în urma radiaţiei de căldură

nocturne;


- evaporarea de pe suprafeţe mari, deschise, de apă caldă creşte puternic

conţinutul de umezeală al aerului;

- aerul mai cald şi mai umed se amestecă cu aer mai rece;

Masa de aer ascendent se răceşte şi astfel după un interval de timp atinge acea

temperatură la care masa de aer devine saturată în vapori de apă. Dacă masa de aer urcă în

continuare, adică se răceşte în continuare, începe condensarea surplusului de vapori, ceea ce

cauzează suprasaturaţia, adică începe formarea de nori. Nivelul formării norilor se poate da cu

ajutorul punctului de rouă. Punctul de rouă este acea temperatură la care aerul, prin răcire.

devine saturat cu vapori de apă. Devierea nivelului punctului de rouă înseamnă în acelaşi timp

şi nivelul formării de nori.

Limita inferioară a înălţimii de condensare (h) a norilor ce iau naştere pe cale

convectivă se poate da cu formula:

m120)tt(h r ⋅−= (10)

unde t este temperatura aerului şi tr este punctul de rouă.

Procesul de condensare se împarte în trei etape:

- etapa 1: seceta – durează până ce umiditatea din aer nu atinge saturaţia;

- etapa 2: formarea norilor – începe când vaporii de apă din aer ajung în stare

de saturaţie datorită scăderii temperaturii, apoi răcind în continuare ajung în

stare suprasaturată şi apa „de prisos” se condensează. Masa de aer urcă în

continuare şi se răceşte mai departe; ea devine suprasaturată din nou şi apare

condensare continuă. De menţionat, că spre deosebire de aerul nesaturat

ascendent a cărui temperatură scade cu 1oC la fiecare 100 m înălţime, la aerul

saturat temperatura scade doar cu 0,56oC.

- etapa 3: formarea gheţii – începe când temperatura picăturilor de apă, ridicate

de curenţii ascendenţi ai aerului scade bine sub 0oC. De obicei, la temperaturi

între -10oC şi -20oC încep să îngheţe picăturile şi în urma fenomenului se

degajă căldură.

Pentru condensare este nevoie şi de prezenţa aşa numitelor nuclee de condensare. În

aerul perfect curăţat de orice impuritate nu porneşte condensarea nici la concentraţia de vapori

de apă de şase ori valoarea concentraţiei de saturaţie, căci vaporii de apă se pot condensa doar

pe particule în suspensie care împiedică evaporarea în stadiul iniţial a picăturilor de apă

microscopice, respectiv a cristalelor de gheaţă microscopice. Experienţa arată că picăturile de

apă se condensează pe alte nuclee decât praful de diamant; acele de gheaţă se condensează în

exclusivitate pe nuclee solide; de exemplu praf de mărime microscopică, nuclee de siliciu, ba

chiar şi cristale de gheaţă microscopice ridicate în straturile superioare ale troposferei.


1.9.4. Produşii condensării şi sublimării vaporilor de apă

Condensarea vaporilor de apă atmosferici poate apărea în două moduri. Putem vorbi

de condensare superficială, respectiv de condensare în interiorul volumului. În cazul

condensării superficiale, condensarea are loc pe suprafeţele în contact cu aerul, de exemplu la

formarea rouei (microprecipitaţii), brumei şi chiciurii.

În cadrul condensării în volum se formează ploaia, zăpada, grindina (macroprecipitaţii) atunci

când în aer se formează cristale mici de gheaţă, picături de apă caldă.

Condensarea şi sublimarea vaporilor de apă poate avea loc: pe suprafaţa solului,

respectiv pe obiectele ce se găsesc pe sau deasupra ei, în straturile cele mai joase ale aerului,

în straturi apropiate de Pământ, la o anumită înălţime deasupra Pământului.

În primul caz produşii condensării sau sublimării vaporilor de apă sunt condensările pe

suprafaţa terestră, în al doilea caz umezeală şi ceaţă, iar în al treilea caz se formează nori care

pot produce precipitaţii şi furtuni.

a) Condensări pe suprafaţa solului

Precipitaţiile numite condensări pe suprafaţa solului apar în special sub formă de rouă, brumă,

chiciură şi strat de gheaţă.

Roua se formează pe sol (pe fire de iarbă), pe frunzele copacilor şi trufelor precum şi

pe acoperişul caselor. Cauza formării ei este că vaporii de apă din stratul de aer în contact

direct cu obiectele amintite se condensează sub forma unor picături mărunte, deoarece aceste

obiecte în urma radiaţiei intense de căldură se răcesc. În formarea rouei, pe lângă umezeala

din aer, influenţează şi umiditatea existentă în straturile superioare ale solului. Acest tip de

condensare apare în anotimpul mai cald, inclusiv în perioada de sfârşit de primăvara şi început

de toamnă. Cel mai des se formează seara, imediat după apusul Soarelui, în special dacă cerul

este clar şi vântul bate slab.

Bruma constă din cristale de gheaţă sub formă de solzi, ghimpe, puf şi globuleţe, care

sunt strâns aşezate una lângă alta. Această condensare apare în condiţii similare cu roua când

pe sol (sau pe obiecte) temperatura scade sub 0oC. Acest tip de condensare apare mai ales

noaptea respectiv în zori, când temperatura solului este cea mai scăzută.

Chiciura este un strat pufos alb care constă din cristale de gheaţă de mărime

microscopică. Apare pe vreme ceţoasă, geroasă, când particulele de ceaţă suprarăcite intrând

în contact cu orice obiect, îngheaţă pe el. Această formă de condensare apare în special pe


suprafeţe verticale, se formează mai ales pe marginile şi vârfurile obiectelor de partea vântului

şi poate exista la orice oră a zilei.

Stratul de gheaţă este un strat neted, transparent care se formează atât pe suprafeţe orizontale

cât şi pe verticale. Apare când ceaţa densă sau picăturile puternic răcite ale burniţei ating

suprafaţa terestră sau obiecte având 0oC sau mai puţin.

b) Ceaţa şi aerul ceţos

Se numeşte ceaţă acea formă de condensare a vaporilor de apă când vizibilitatea

orizontală în stratul de aer din vecinătatea solului se reduce sub 1000 m. În cazul unei

vizibilităţi între 1 şi 10 km vorbim de aer ceţos. În cazul formării ceţii temperatura aerului

atinge punctul de rouă. Dacă fenomenul apare peste 0oC, atunci ceaţa constă de regulă din

picăţelele de mărime macroscopică, mai mici de 0,005mm. Dacă la formare temperatura este

sub 0oC, atunci picăturile sunt suprarăcite şi în cursul contactului lor cu obiecte se formează

prin condensare, brumă.

Cauzele formării ceţii pot fi diferite, de aceea ceaţa poate fi de diferite tipuri. Ceaţa de

radiaţie se formează când solul – împreună cu el şi aerul de lângă sol – în urma radiaţiei de

căldură se răceşte puternic. În special în adâncituri (drumuri adâncite, văi) apare, deasupra

terenurilor umede (lângă râuri, lacuri, mocirlă, păşuni umede, păduri, etc.) şi zone industriale.

Ceaţa de convecţie se formează când deasupra solului puternic răcit curge aer mai cald şi mai

umed. Frontul de ceaţă este rezultatul unor lungi perioade ploioase, deoarece atunci, respectiv

după, pe suprafaţa solului evaporarea este puternică.

c) Nori

Acea formă de condensare care apare în stratul de aer la înălţime mai mare de sol, se

numeşte nor. Procesele de formare ale norilor sunt diferite, de aceea se pot observa diferite

tipuri de nori. Baza diferenţierii constituie: forma exterioară a norilor, constituţia interioară şi

în plus baza şi vârful lor, adică înălţimea limitei lor superioare.

Deşi procesele de formare sunt diferite, dar cauza principală a formării oricărui nor

reprezintă scăderea temperaturii aerului sub punctul de rouă. Această răcire a aerului poate

rezulta din ridicarea aerului în straturi din ce în ce mai înalte sau deoarece aerul mişcându-se

pe orizontală ajunge deasupra unor teritorii ale căror sol are temperatură mai scăzută decât cea

a masei de aer.


Norii cumulus apar sub forma unor cupole sau turnuri individuale care cresc în direcţia

verticală cu înălţimea. Lăţimea şi înălţimea lor atinge deseori şi valoarea de câţiva kilometri.

Norii stratus se întind în plan orizontal, mai mult sau mai puţin alungit, sub formă de

înveliş, în zone sau ca nişte fibre ramificate ca penele.

Norii stratocumulus apar sub forma unor discuri în grup, linii paralele, mameloane sau

formaţiuni ramificate radial.

Norii pot fi clasificaţi şi pe baza cauzei ascensiunii aerului şi astfel deosebim nori

convectivi, orografici şi de front. În cazul norilor convectivi încălzirea şi astfel scăderea

densităţii este cauza ridicării masei de aer, la norul orografic mişcarea aerului este ghidată de

munţi. În cazul norilor de front întâlnirea aerului cald şi rece determină mişcarea aerului. În

cazul frontului cald, aerul cald ajunge din urmă aerul mai rece ce avansează mai încet în faţa

lui. Întrucât aerul cald are viteză de curgere mai mare, alunecă pe partea superioară a

frontierei aerului rece. În cazul frontului rece, aerul rece se deplasează în direcţia aerului mai

cald. Aerul rece pătrunde sub aerul cald ca o pană şi astfel îl ridică. Dacă aerul se ridică

repede, din cauza mişcării dezordonate se formează formaţiuni de nori cumulus. Dacă aerul se

ridică încet, atunci se formează nori stratus.

d) Precipitaţia atmosferică

Precipitaţiile atmosferice sunt produse de condensare, căzute din nori pe suprafaţa terestră.

Precipitaţia poate fi lichidă, solidă sau în stare de agregare amestecată, astfel:

- precipitaţia lichidă: bura şi ploaia;

- precipitaţia solidă: zăpada, măzărichea, grindina şi grindina măruntă

(precipitaţie constând din ace de gheaţă căzătoare);

- precipitaţia cu stare de agregare mixtă: lapoviţa.

Ploaia constă, în general, din picături de apă mai mari de 0,05 mm, picăturile se pot

distinge clar unele de altele.

Bura este o precipitaţie uniformă care constă din picături foarte mici. Diametrul

picăturilor este mai mică de 0,5 mm. Bura cade din nori, închişi şi denşi, care pot coborî şi

până la sol, adică pot forma ceaţă.

Ninsoarea constă din fulgi de nea, alcătuite din cristale de gheaţă hexagonale ramificate.

De multe ori se amestecă cu ace de gheaţă. Zăpada grăunţoasă constă din biluţe albe, opace

ale căror structură seamănă cu cea a fulgilor de nea (diametrul lor este mai mic de 1mm).

Biluţele căzând pe sol nu sar înapoi în mod vizibil şi nu se sparg. Această precipitaţie cade în

special din norii stratus şi din ceaţă.


Măzărichea moale este mulţimea particulelor de gheaţă albe rotunde, opace, având

diametrul de 2-5 mm, casante. Dacă ajung pe sol tare, sar înapoi. Această precipitaţie apare

mai ales la temperatura în jur de 0oC, în special deasupra uscatului.

Măzărichea tare este formată din particule translucide de gheaţă, cu diametru 2-5 mm,

strălucitoare sticloase. Ploaia îngheţată are nişte particule de gheaţă dure, semi sau total

transparente, de formă circulară sau neregulată, de diametru 1-4 mm. Căzând pe solul tare

particulele se rup în bucăţi. Această precipitaţie se formează din ploaia obişnuită, când

picăturile de apă, în cădere, trec printr-un strat de aer având temperatura sub 0oC.

Lapoviţa este o precipitaţie constând din apă suprarăcită. O parte din picăturile de apă

căzând pe obiectele de pe sol, îngheaţă şi formează o glazură de gheaţă. Dacă avionul

traversează o astfel de zonă de ploaie, atunci pe aripi, pe suprafeţele calde se formează straturi

de gheaţă cu efect nefast.

Grindina este formată din bucăţi de gheaţă de diametru 5-50 mm, chiar mai mari, de

formă rotundă sau neregulată, care se prezintă individual sau mai multe îngheţate împreună în

forme neregulate.

Grindina măruntă sunt cristale de gheaţă foarte mărunte, neramificate, de formă

beţişoare sau plăcuţe, deseori atât de mărunte, încât chiar sub influenţa unor circulaţii uşoare,

verticale de aer se pot înălţa în aer.

Etapele fizice principale ale formării de nori şi căderii precipitaţiei sunt următoarele: aerul

ascendent se răceşte şi astfel îi creşte umezeala relativă. Când temperatura scade sub punctul

de rouă, aerul devine suprasaturat. Vaporii de apă din aer se condensează pe cristale de

gheaţă, particule de aerosol sau pe alte nuclee de condensare. La început picăturile astfel

formate sunt mai mici de 20 µm, dar cresc până la de 2-3 ori această dimensiune. Valoarea

presiunii de vapori saturaţi deasupra gheţii la aceeaşi temperatură este mai mică decât

deasupra apei. Astfel la acea valoare de presiune de vapori care deasupra gheţii înseamnă deja

valoare saturată, apa încă se evaporă, iar vaporii de apă condensează pe gheaţă. Masa şi

dimensiunea gheţii creşte, iar masa apei scade. Picăturile având viteze de cădere diferite se

pot uni unele cu altele. Picăturile mai mari cad mai repede în comparaţie cu cele mici, astfel în

cădere se vor ciocni. Elementele de nori după o anumită dimensiune părăsesc norul şi cad spre

suprafaţa terestră. În straturile de aer mai joase, mai calde, grăunţele de gheaţă se topesc şi

ajung deja sub formă de ploaie pe suprafaţa terestră. În timpul iernii, aerul apropiat de

suprafaţa terestră este mai rece şi precipitaţia ajunge sub formă de gheaţă sau zăpadă pe

Pământ.


Vara se formează bucăţi mari de gheaţă în nori – în caz de curent ascendent intensiv – care

vor cădea spre suprafaţa terestră cu o viteză atât de mare că nu este timp suficient să se

topească şi ajung sub formă de grindină pe Pământ.

Nucleele de condensare necesare de obicei sunt de origine naturală, dar gazele industriale

şi gazele de fum rezultate din ardere furnizează nuclee de condensare artificială. În condiţii

normale într-un cm3 de aer se găsesc câteva sute de nuclee de condensare. Deasupra oraşelor

mari sau a zonelor industriale acest număr poate fi de ordinul sutelor de mii. Deasupra

uscatului sunt mult mai multe nuclee de condensare în aer decât deasupra oceanelor, astfel la

o anumită suprasaturaţie deasupra uscatului se formează mult mai multe picături mărunte de

nor, iar deasupra oceanelor se formează mai puţine picături de nor, dar de dimensiuni mai

mari. Norii cu diametru mai mic, dar de concentraţie mai mare, reflectă mai mult razele

solare. Din acest motiv creşterea numărului nucleelor de condensare (de exemplu datorită

efectelor antropogene) scade intensitatea radiaţiei solare ce ajunge pe suprafaţa Pământului.

Majoritatea norilor se găsesc deja la nivele unde temperatura este sub 0oC, totuşi

majoritatea norilor sunt formaţi din apă, apă suprarăcită. La temperaturi mai ridicate de -7oC

se găsesc elemente de nor în exclusivitate lichide, iar la temperaturi sub -40oC unicele

componente ale norilor sunt cristalele de gheaţă.

1.10. Starea electrică a atmosferei

Atmosfera conţine foarte multe particule de gaz ionizate şi în plus o parte din

numeroşii aerosoli solizi şi lichizi sunt în stare ionizată. Mărimea ionilor din aer este foarte

diferită, şi anume de la mărimi atomice până la mărimi vizibile cu ochiul liber. Ionizarea

gazului atmosferic este slabă, deoarece în atmosferă efectele ionizante nu sunt prea puternice,

respectiv ionii se transformă foarte repede înapoi în molecule prin mişcarea termică puternică

şi ciocniri. Ionizare mai semnificativă apare acolo unde există efect de ionizare mai puternic şi

unde există posibilitatea separării sarcinilor.

1.10.1. Ioni aflaţi în atmosferă

După masa ionilor aflaţi în atmosferă deosebim trei grupe:

- ioni mici, grupă din care fac parte ionii de mărime moleculară precum şi

electronul însuşi. În sfera de jos se pot găsi doar în concentraţie mică, dar în


termosferă numărul lor este semnificativ. La ionizarea aerului curat se

formează doar ioni mici;

- ioni mijlocii, care sunt particule solide sau lichide formate din mai multe

molecule, plutind în aer. Numărul lor este constant, 700 cm-3, nu depinde nici

de tipul aerului, nici de condiţiile externe;

- ioni mari, particule formate din câteva milioane de molecule. Din această

categorie fac parte şi nucleele de condensare care fac posibilă şi formarea

norilor. În aer foarte poluat concentraţia lor poate atinge şi valoarea de 50 000

cm-3.

Ionii din atmosferă sunt produşi de următoarele procese: radiaţie radioactivă de pe suprafaţa

terestră, respectiv din atmosferă, radiaţia cosmică, radiaţia solară ultravioletă, radiaţia

particulelor solare.

Radiaţia substanţelor de pe suprafaţa terestră ajunge în partea cea mai joasă a

atmosferei şi depinde mult de condiţiile suprafeţei terestre şi cele geologice. Aerul însuşi

conţine substanţe radioactive de exemplu Rn, Th, 14C, 3H. Radiaţia acestora produce doar

puţini ioni, dar în apropierea solului cantitatea semnificativă de Rn ce rezultă din sol joacă

deja un rol important în ionizare.

Factorul de ionizare cel mai important este radiaţia cosmică, a cărei intensitate creşte

cu înălţimea şi astfel stratul superior (atmosfera rară) este deja un conductor electric puternic.

La înălţimi mai mari sunt importante şi radiaţiile solare ultraviolete şi corpusculară.

Mobilitatea particulelor încărcate electric este direct proporţională cu sarcina electrică

şi invers proporţională cu masa. Conform acestei dependenţe, în straturile joase ale

atmosferei, unde se găsesc ioni mari, conductibilitatea electrică este mică. Ionii mari, pe lângă

mobilitatea lor mică, şi datorită absorbţiei particulelor mici încărcate cu electricitate opusă –

proces prin care le neutralizează – reduc mărimea conductibilităţii electrice.

1.10.2. Fenomene electrice în atmosferă

Suprafaţa terestră – indiferent că este vorba de sol, mai ales solul umed sau apele – este un

bun conductor electric. Stratul inferior al atmosferei, până la înălţimea de 70-80 km nu este

conductor electric, dar straturile superioare deja pot fi considerate conductoare, iar în

straturile atmosferice la înălţimea de 100-130 km conductibilitatea electrică coincide cu cea a

apelor dulci. În realitate şi straturile atmosferice joase pot deveni conductoare, de exemplu în

timpul furtunilor.


Suprafaţa terestră, în general, este negativ încărcată, iar atmosfera pozitiv, astfel între ele

apare un potenţial electric al cărui valoare variază cu înălţimea. Pe şes, în zilele obişnuite,

între sol şi înălţimea de 1m poate fi o diferenţă potenţial chiar de 100V. La înălţimea de 10

km această valoare devine doar 10 V, adică gradientul de potenţial electric scade puternic cu

înălţimea. Diferenţa de potenţial între sol şi stratul superior al atmosferei este aproximativ

400000V.

Se constată mari oscilaţii ale potenţialului electric atmosferic, în care se pot găsi şi

periodicităţi diferite. Măsurătorile efectuate în diferite locuri ale Pământului arată că în iunie-

iulie potenţialul electric este minim, iar în decembrie-ianuarie este maxim. Întrucât în primul

caz, Pământul este aproape de Soare şi în al doilea caz departe, evident fenomenul se poate

explica prin efectul Soarelui. Nu prea caracteristic, dar se poate evidenţia şi o oscilaţie zilnică:

un maxim de ordinul întâi seara şi unul de ordinul doi la prânz; respectiv un minim de ordinul

întâi în zorii zilei şi unul de ordinul doi după-masă.

Este interesant că deasupra oceanelor apare doar minim-maxim, precum şi faptul că indiferent

de locul geometric, maximul se poate măsura în acelaşi moment.

În plus, există şi o periodicitate de 11 ani, pentru care explicaţia este activitatea petelor

solare care se modifică în fiecare 11 ani.

În timpul furtunilor, viscolelor, potenţialul electric creşte semnificativ, iar în cazul

circulaţiilor de aer descendente apare o scădere. Cauza acestora este schimbarea locului, a

înălţimii stratului superior conductor.

În cazul erupţiilor vulcanice creşte semnificativ potenţialul electric al atmosferei. Cu

asemenea ocazii o cantitate mare de apă ajunge în atmosferă, de aceea se poate presupune că

şi vaporii de apă joacă un rol important în creşterea potenţialului electric.

1.10.3. Starea electrică a norilor de ploaie

Cele mai importante două tipuri de nori de ploaie sunt norii stratus care aduc ploaie măruntă

şi norii cumulus care aduc ploaie torenţială. Cei din urmă sunt înguşti, se înalţă foarte sus,

dar aduc ploaie violentă pe o întindere mică. Norii cumulus iau naştere în curenţi de aer

ascendenţi pe verticală cu viteză foarte mare. Această viteză mare explică forma lor gen

coloană, mărimile mari ale stropilor de ploaie şi fenomenele electrice care apar. Dintre aceste

fenomene cel mai important este fulgerul care este o descărcare electrică enormă între nor şi

Pământ, respectiv între cei doi centri de sarcini electrice opuse ai norului. Pentru apariţia lui

este nevoie ca între nori şi suprafaţa terestră să ia naştere o diferenţă de potenţial de câteva

milioane de volţi, adică în nori să se acumuleze o cantitate foarte mare de sarcină electrică.


Astfel de acumulări de sarcini pot apărea în norii cumulus chiar ca urmare a formării

precipitaţiei abundente.

Mecanismul acestui proces este următorul: ionizarea este produsă de radioactivitatea

Pământului şi a aerului, respectiv de radiaţia cosmică, care pe vreme frumoasă creează un

câmp electric de 120-130V/m. În norii de furtună intensitatea câmpului electric poate ajunge

şi la 10 000 V/m. Prin măsurători s-a reuşit să se evidenţieze că în norii de furtună sarcinile

electrice se separă după semn, în regiunea 0 şi -10oC se adună sarcinile negative, iar în

regiunea -10oC şi 20oC se adună sarcinile pozitive. Partea superioară a norului de furtună este

mai rece faţă de partea lui inferioară şi astfel norul va fi încărcat pozitiv în partea superioară,

iar baza constituie regiunea pozitiv încărcată.

Figura 8. Starea electrică a norilor

Această separare de sarcini este necesară ca să apară o diferenţă de potenţial de

aproximativ 108V între suprafaţa terestră şi nor, în urma căreia apare o descărcare în arc între

baza norului şi suprafaţa terestră. Această descărcare în arc este fulgerul, care transportă pe

Pământ sarcina negativă din baza norului, astfel scăzând şi apoi anulând tensiunea electrică.

Dar în 20s se formează sarcini electrice noi şi se separă unele de altele...

Au apărut multe teorii pentru a explica distribuţia sarcinii electrice a norilor şi anume:

Teoria Lenard-Simson, după care sarcinile apar când picăturile de apă mai mari se

descompun. Forma picăturilor de apă se deformează din cauza mişcărilor ascendente de aer;

baza se turteşte, creştetul se subţiază apoi se găureşte. Astfel picăturile de apă se transformă în

inel, de pe care se rup sfere de apă încărcate negativ şi ajung împreună cu curenţii de aer

ascendenţi la un nivel din ce în ce mai înalt. Picăturile de apă care cad jos devin astfel

încărcate pozitiv.

Teoria legată de transformări de fază, care se bazează pe observaţia că la îngheţarea

apei pe suprafaţa de separare, gheaţa va fi încărcată negativ, iar apa încărcată pozitiv. În norii

++ + + + + + + +

+ + +- - - -

+


cu stare de agregare mixtă există astfel de suprafaţă de separare, însă nu există deocamdată

verificare experimentală în favoarea acestei teorii.

Teoriile precedente au considerat că formarea intensivă a precipitaţiei este condiţia

apariţiei şi separării sarcinilor electrice, dar o nouă ipoteză presupune că procesul este

independent de condiţia amintită. În New-Mexico în 1965 s-au observat fulgere atunci când

formarea de precipitaţie a fost de intensitate extrem de mică – fapt ce a determinat elaborarea

următoarei teorii.

Teoria mecanismului convectiv se bazează pe faptul, că pe locurile cu nori de

furtună totdeauna mişcarea pe verticală este foarte intensă, şi de pe sol (unde sunt în surplus

sarcini electrice pozitive) se transportă aer încărcat pozitiv în nori. Dacă acest aer ajunge la

înălţimea unde aerul deja este bun conductor, atunci din ionosferă porneşte un contracurent

pentru a-l neutraliza. Aceste sarcini din cauza direcţiei curentului de aer nu ajung în nori, ci pe

marginea norilor, ajung la baza norului astfel intensificând în continuare ascensiunea ionilor

pozitivi. Aceste presupuneri însă, ca şi cele precedente, nu sunt complet demonstrate.

Fulgerele pot fi clasificate după formă, lungime, numărul de descărcări. Astfel se

poate vorbi de fulgere în care are loc o singură descărcare, ceea ce se întâmplă rar, respectiv

fulgere care parcurg acelaşi drum de mai multe ori. Vorbim de descărcare continuă dacă ea

durează cel puţin 0,5 secunde. (Timpul de descărcare în general este de câteva microsecunde.)

După formă se deosebesc trei tipuri de fulgere de suprafaţă, liniar şi sferice.

In cazul fulgerului de suprafaţă tot norul devine luminos, dar nu apare o iluminare

puternică. Motivul este că în acest caz descărcarea are loc în interiorul norului şi norul

acoperă locul descărcării.

Fulgerul liniar apare între Pământ şi nori şi acesta are mai multe faze. Aşa numitul

prefulger porneşte din acea parte a norului unde intensitatea câmpului electric atinge valoarea

m/V103 6⋅ . În acest fulger sarcinile negative curg pe segmente spre Pământ, traiectoria lor

este discontinuă şi în general durează 0,01s până ce ajunge pe sol. În prefulger intensitatea

curentului este de 100-200A. Un fenomen interesant este că prefulgerul se ramifică mai puţin

dacă solul este mai bun conductor. Sarcinile curentului din prefulger ionizează aerul, care

astfel de-a lungul traiectoriei lui devine conductor. Când prefulgerul este la 10-50 m de

suprafaţa terestră începe o curgere de sarcini dinspre sol spre nor. În acest canal se poate

năvăli sarcina negativă a norului cu o intensitate de curent de aproximativ 20 000 A care

cauzează fenomenul luminos.

În toate cazurile fulgerul trăsneşte în acel loc unde valoarea intensităţii câmpului

electric este mai mare dintr-un motiv oarecare. De exemplu, poate fi cauza unui obiect înalt,

ascuţit, bun conductor (paratrăsnet, horn, etc). Se poate întâmpla ca fulgerul să lovească într-


un horn mai scund, dar care fumegă, deoarece în fum se găsesc ioni care determină de

asemenea un câmp electric mai intens. Suprafeţele de apă sunt foarte periculoase din punctul

de vedere al fulgerului, căci apa este un bun conductor. Fulgerele pot fi pozitive, respectiv

negative, în funcţie de punctele de acumulare din care pornesc. Fulgerele negative ţintesc

obiecte înalte, conductoare, iar fulgerele pozitive ţintesc mai degrabă scobiturile conductoare

subterane.

Efectul devastator al fulgerelor se datorează intensităţii de curent ridicate şi

temperaturii de 20 000oC.

Tunetul este fenomenul care însoţeşte totdeauna fulgerul, dar care în anumite condiţii

s-ar putea să nu fie perceput. Efectul de sunet apare din următoarele motive. Canalul de

fulger, atâta timp cât curge curent electric în el este stabil din cauza efectului magnetic al

curentului. În canal temperatura este de 20000oC, ca atare presiunea aerului din el este

enormă, dar din cauza efectului magnetic, “peretele” canalului ţine acest aer de înaltă presiune

în interior. După încetarea fulgerului însă aerul se dilată brusc, gen explozie, de unde rezultă

efectul de sunet.

Sunetul tunetului poate fi auzit din foarte multe direcţii, ca un ecou, care se poate

reflecta de pe nori, sol sau alte obiecte de relief. Se poate observa şi faptul că sunetul tunetului

poate fi auzit îndelung, chiar câteva secunde, adică mult mai mult decât timpul efectului de

sunet al unei explozii. Este de înţeles acest fapt, căci tunetul ajunge la noi dintr-o sursă de

sunet foarte lungă, deoarece putem considera chiar canalul de fulger drept sursă de sunet.

Sunetul se refractă pe straturile de aer de temperaturi diferite, apărând astfel aşa numitele

puncte moarte, în care sunetul nu se poate auzi. Pentru observatorul care se află în acel loc

acest fulger pare să fie fără efect de sunet. Vorbim de fulger fără grai, aşa numitul “flash”

dacă ne desparte o mare distanţă (50-60 km) de locul furtunii. În acest caz stratul de aer gros

absoarbe deja sunetul. Evident vântul, temperatura aerului şi presiunea influenţează de

asemenea cât de tare se poate auzi tunetul.

Fulgerul sferic este o sferă cu sarcină electrică uriaşă şi temperatură ridicată care ia

naştere în urma trăsnirii fulgerului. Există mai multe modele care încearcă să interpreteze

apariţia şi proprietăţile ciudate ale fulgerului sferic. Astfel de proprietăţi misterioase sunt, de

exemplu, că într-o încăpere închisă apare brusc apoi dispare, poate lua cu el obiecte, smulge

fire electrice din perete, perforează peretele de beton, nu are efect asupra lui nici vântul, nici

gravitaţia.

Conform unei ipoteze, fulgerul sferic este o sferă de plasmă incandescentă, care este

rezultatul unui proces chimic ce-i asigură energia enormă. După o teorie mai modernă

fulgerul sferic este o sferă incandescentă de ioni de siliciu care ia naştere din bioxidul de


siliciu al solului sub influenţa fulgerului. Ca urmare a temperaturii şi intensităţii de curent

uriaşe ale fulgerului în prezenţa carbonului – în caz de raport corespunzător – din bioxidul de

siliciu se formează ioni de siliciu. Acest proces este utilizat şi în industria semiconductoarelor

pentru producerea siliciului pur. Ionii de siliciu sunt aşezaţi ca o plasă în fulgerul sferic, ceea

ce îi conferă o structură proprie.

Fulgerul sferic are o sarcină pozitivă enormă, atrăgând de aceea cu o forţă uriaşă

electronii delocalizaţi ai obiectelor metalice. Această forţă de atracţie poate fi atât de mare

încât sub acţiunea ei firele conductoare pot exploda în pereţi, obiectele se pot deplasa de pe

locurile lor, instalaţiile electrice se pot distruge. Drept urmare a forţei de atracţie şi fulgerul

sferic se poate deplasa şi în acest caz poate trece prin orice corp.

Dovada imensei sarcini electrice este şi faptul că sub influenţa câmpului electric

fulgerul sferic deviază. Când forţa de respingere între sarcinile pozitive ale fulgerului sferic

înving forţele de atracţie ce acţionează în fulger, ca o explozie fără efecte luminoase şi de

sunet, dispare fulgerul sferic.

1.11. Fenomene luminoase în atmosferă

Datorită reflexiei, refracţiei şi interferenţei luminii în atmosferă apar diferite fenomene

luminoase în atmosferă de exemplu curcubeul, mirajul sau curtea Lunii.

Când lumina traversează suprafaţa de separare a două medii optic diferite şi în cursul

acesteia i se schimbă direcţia de propagare. Conform legii refracţiei, dacă lumina înaintează

dintr-un mediu cu indice de refracţie mai mic spre un mediu cu indice de refracţie mai mare,

fasciculul luminos se refractă spre normala de incidenţă. Indicele de refracţie este raportul

dintre viteza luminii în mediul respectiv şi viteza luminii în vid.

Figura 9. Fenomenul de refracţie (c viteza luminii în mediul dat)

2

1

sinsin

cc

=βα

c1

c2

strat limită


Indicele de refracţie al aerului depinde de densitate. În cazul densităţii mai mici şi

indicele de refracţie este mai mic. Aceasta înseamnă că aerul mai cald, adică de densitate mai

mică, are şi indice de refracţie de asemenea mai mic.

Densitatea aerului scade pe verticală, ca atare indicele de refracţie scade continuu spre sus.

Lumina sosită de pe corpurile cereşti se tot refractă prin straturile de aer şi astfel nu vedem

corpurile cereşti pe locurile lor reale, ci în poziţii mai îndepărtate de orizont. Tot mulţumită

acestei refracţii Soarele care apune se vede chiar şi atunci când în realitate el este deja sub

orizont.

Mirajul este acel fenomen când în câmpul nostru vizual apar şi corpuri de sub orizont.

Şi acest fenomen se poate explica cu cele de mai sus. Fenomenul apare când temperatura

aerului scade de sus în jos, de exemplu în orele din zorii zilei când suprafaţa terestră şi

împreună cu ea aerul de jos se răcesc puternic.

În zile fierbinţi de vară se întâmplă că solul se încălzeşte puternic şi încălzeşte şi aerul

deasupra, adică temperatura atmosferei creşte de sus în jos. În acest caz indicele de refracţie al

aerului scade de sus în jos, adică razele ce sosesc dinspre bolta cerească se refractă de la

normala de incidenţă. În acest caz poate să apară şi fenomenul reflexiei totale, adică vedem

imaginea de oglindire a boltei cereşti. Acest fenomen se numeşte oglindirea boltei cereşti.

Figura 10. Formarea fenomenelor de miraj şi oglindirea boltei cereşti

T – creşteρ - scade

T – scadeρ - creşte

Pământ

Pământ


Curcubeul îl vedem atunci când razele Soarelui cad din spatele nostru pe picături de

apă din faţa noastră. La formarea curcubeului lumina ce ajunge pe picătura de apă intră în

picătură şi se refractă pe suprafaţa de separare apoi se reflectă pe partea interioară a picăturii,

respectiv la ieşire din nou se refractă pe peretele picăturii. Indicele de refracţie depinde de

lungimea de undă a lumnii, cel mai mult se refractă lumina violetă şi cel puţin cea roşie.

Astfel, lumina albă când trece prin interfaţa apă-aer se descompune pe componente, ceea ce

duce la apariţia culorilor spectrului. Pe picături cad foarte multe raze luminoase şi prin

compunere se poate arăta că razele roşii se adună sub unghiul vizual cel mai mare, iar razele

albastre sub cele mai mici. De aceea curcubeul are formă de arc de cerc, marginea de jos este

albastră, iar între ele apar culorile spectrului cu frecvenţă crescândă.

În jurul curcubeului principal din când în când e vizibil şi curcubeul secundar la formarea

căruia raza luminoasă se reflectă de două ori în picătura de apă. Din acest motiv are intensitate

luminoasă mult mai slabă decât curcubeul principal şi culorile apar în ordine inversă.

Figura 11. Formarea curcubeului

Difracţia luminii apare când lumina trece prin obstacole sau fante. În aceste cazuri

lumina apare şi în conul de umbră, adică pe suprafaţa unde nu este de aşteptat efect luminos.

Difracţia luminii este cauza apariţiei inelelor în jurul sursei de lumină în aer umed, respectiv

şi a coroanei lunare.

Vorbim de dispersia luminii, când în mediu se găsesc particule cu indice de refracţie

diferit de cel al mediului şi care absorb puţin lumina. În acest caz particulele devin şi ele surse

de lumină şi emit aşa numita lumină secundară. Dacă mărimea particulelor dispersante este

mult mai mică decât lungimea de undă a luminii incidente, atunci intensitatea luminii

dispersate este proporţională cu mărimea particulei la puterea a şasea şi cu frecvenţa luminii

la puterea a patra. Dispersia este cauza culorii albastre a cerului, deoarece din lumina albă a

Soarelui componenta albastră se dispersează cel mai intens, deci apare această culoare.

Lumina roşie se dispersează mai puţin astfel lumina ei poate fi văzută mai departe, motiv

alb

albastru

roşu


pentru care ea se foloseşte pentru a atenţiona pericolele. Şi Soarele când apune îl vedem în

roşu – spre deosebire de culoarea alb-gălbuie la prânz – deoarece culoarea albastră este

puternic dispersată din razele ce ajung la ochiul nostru, de aceea va domina culoarea roşie.

Dacă mărimea particulei dispersate nu este semnificativ mai mică decât lungimea de

undă a luminii incidente, intensitatea luminii dispersate nu depinde de frecvenţă. Prin acesta

se poate interpreta de exemplu că fumul ţigării aprinse este albastru, iar fumul expirat este gri.

Fumul însuşi este format din particule foarte mici, adică aici este valabilă dispersia mai

puternică a culorii albastre. Particulele fumului expirat deja absorb apă, mărimea lor creşte,

astfel în acest caz toate culorile se dispersează în aceeaşi măsură.

Cu starea electrică a atmosferei se pot interpreta lumina polară precum şi fenomenul

focul lui Sfântul Elmo. Lumina polară se poate constata pe Pământ la latitudini mai mari, de

la poli până la tropice. Apare dinspre poli sub formă de fâşii de lumină. Cercetarea luminii

polare a arătat că derivă din molecule de azot şi oxigen excitate, excitarea datorându-se

electronilor proveniţi din Soare şi deviaţi spre poli de câmpul magnetic terestru.

Pata de lumină violetă care apare pe vârful catargului navelor marine s-a numit demult

focul lui Sfântul Elmo, dar mai târziu s-a dovedit că şi pe uscat (pe vârful paratrăsnetului, pe

turnul bisericii) se poate observa. El apare când creşte intensitatea câmpului electric în aer

căci atunci la capătul conductoarelor apare descărcarea electrică.

Câteodată Soarele sau Luna sunt înconjurate de un inel luminos, numit halo. Acest inel

apare căci lumina Soarelui sau a Lunii se refractă pe cristalele de gheaţă din atmosferă, ca pe

prismă. Cristalele de gheaţă se găsesc în nori la înălţimi mari, în starturile mijlocii şi

superioare ale troposferei. Numim coroană lunară (respectiv coroană solară), discul luminos

de culoare albă sau galbenă care înconjoară Luna (respectiv Soarele). În acest caz lumina se

refractă pe picăturile de apă ale norilor de la înălţimi mijlocii.

În lunile de vară, după apusul de Soare, pe cer pot apărea nori care luminează. În acest

caz razele Soarelui sunt reflectate sub orizont, respectiv dispersate de norii de la înălţimi mari,

ceea ce dă impresia ca şi cum însuşi norul ar lumina.

Capitolul II - Hidrosfera

Capitolul II. Hidrosfera

Prin hidrosferǎ înţelegem apa de suprafaţǎ, subteranǎ şi cea conţinutǎ în atmosferǎ.

Între hidrosferǎ şi atmosferǎ este un schimb continuu de energie şi materie. Originea

hidrosferei o putem considera ca fiind acum 4,6-3,8 miliarde de ani. Atmosfera de atunci

conţinea foarte mulţi vapori de apǎ care odată cu răcirea treptatǎ a suprafeţei terestre s-au

condensat. Probabil meteoriţii ajunşi pe Pământ au contribuit la creşterea, în continuare, a

cantităţii de apǎ terestrǎ. Activitatea vulcanicǎ, presupune, şi în zilele noastre, transportul unei

mari cantităţi de vapori de apǎ, întrucât 80% din gazele vulcanice sunt vapori de apǎ. Apa

condensatǎ a putut rămâne pe planeta noastră deoarece: temperatura suprafeţei terestre este

corespunzătoare, atracţia Pământului a reţinut apa, Soarele este suficient de departe ca vântul

solar sǎ nu poată smulge moleculele de apǎ din apropierea suprafeţei terestre. Apa nu poate

ajunge în straturile mai înalte, căci aproximativ la înălţimea de 15 km în stratul rece apa

îngheaţă şi ajunge astfel din nou în straturile joase.

II.1. Structura hidrosferei

70% din suprafaţa Pământului este acoperitǎ de apă. Masa de apă este distribuită

astfel: 97% din masa de apǎ o reprezintă oceanele, 2% criosfera (formaţiunile de gheaţă), iar

1% reprezintă apa subteranǎ, râuri şi lacuri. Cantitatea totalǎ de apǎ dulce se repartizează

astfel: 77,6% este zăpadă şi gheaţǎ, 21,8% ape subterane, 0,34% râuri, lacuri, 0,2% umiditatea

solului, 0,04% în atmosferǎ, iar 0,02% în biosferǎ.

2%1%

97%

oceaneformatiuni de gheataape subterane, riuri, lacuri

Figura 12a – Structura hidrosferei


77.60%

21.80%

0.34% 0.20% 0.04% 0.02%0.00%

20.00%

40.00%

60.00%

80.00%zapada si gheataape subteranelacuri, riuriumiditatea soluluicontinutul de apa al atmosfereicontinutul de apa al biosferei

Figura 12b – Repartiţia apei dulci din hidrosferǎ

Etapele principale ale ciclului hidrologic sunt următoarele: din oceane, de pe uscat apa

se evaporǎ, iar apoi sub formǎ de precipitaţii cade în oceane, respectiv pe uscat. Apa căzută pe

uscat curge pe suprafaţǎ sau se infiltrează, de unde merge mai departe, dar mai încet. În ciclul

hidrologic se ajunge la o stare de echilibru. În acest sens, pe o suprafaţǎ datǎ, într-o perioadǎ

datǎ, cantitatea de precipitaţie şi apa depozitatǎ este egalǎ cu cantitatea de apǎ evaporatǎ,

scursǎ şi folositǎ. În funcţie de cantitatea precipitaţiei faţǎ de evaporare deosebim trei tipuri de

suprafeţe.

Suprafaţa umedǎ este în cazul în care precipitaţia excede evaporarea, dar pe

suprafeţele aride (uscate) relaţia este inversǎ, iar pentru suprafeţele de trecere, precipitaţia este

egalǎ cu evaporarea.

Pentru o clasificare mai riguroasă s-a introdus aşa-numitul index de ariditate (Ar)

care este raportul intensităţii evapotranspiraţiei şi al precipitaţiei. Prin evapotranspiraţie

înţelegem evaporarea de pe suprafeţe de apǎ şi de pe plante (transpiraţie).

Conform acestei clasificări deosebim următoarele terenuri:

- calotǎ polarǎ Ar<1/3

- tundra 1/3 Ar<1

- păduri calde şi moderate Ar~1

- savane Ar~2…3

- semideşert Ar~5

- deşert Ar>10

Mişcarea cantităţii de apǎ o caracterizǎm cu ajutorul timpului de stagnare, care

reprezintă timpul de schimbare completǎ a cantităţii de apǎ. ( Este raportul cantităţii totale de

apǎ pentru un anumit loc şi al cantităţii de apǎ care se schimbǎ în unitate de timp la locul

respectiv).


Tipul apei Timp de

stagnare

oceane, mǎri 250 ani

ape freatice 1400 ani

lacuri 17 ani

umiditatea solului 1 an

umiditatea atmosferei 8 zile

Figura 13. Timpul de stagnare al diferitelor tipuri de apǎ

Ciclul hidrologic este influenţat de multe procese naturale sau antropogene. Astfel,

defrişările de păduri, gazele care cresc efectul de serǎ, poluarea de aer şi ploile acide ce

rezultǎ de aici, entrofizaţia lacurilor. Înrăutăţirea calităţii apei de asemenea are consecinţe

grave. În acest sens trebuie acordată o mai mare atenţie la utilizarea produselor pentru

ocrotirea plantelor, căci majoritatea nitraţilor şi fosfaţilor ajung prin aceste procese în ape.

Poluarea apelor reprezintă foarte rar o problemă locală, datorită ciclului hidrologic.

Factorii care influenţează desfăşurarea sunt:

- clima;

- mărimea bazinului hidrologic şi calităţile lui (de exemplu în cazul solului

impermeabil scurgerea este mult mai rapidă decât în cazul straturilor prin care apa

trece cu uşurinţă; plantele întârzie scurgerea pe versanţi);

- factori meteorologici (de exemplu în cazul unei precipitaţii abundente ne putem

aştepta la o scurgere rapidă pe suprafaţa terestră);

- forma albiei râului (pe porţiuni drepte ale râului scurgerea este mult mai rapidă).

Se poate modifica şi cantitatea precipitaţiei în mod indirect. O astfel de metodă de exemplu,

este „vaccinarea norilor” (Lehr-Burnett-Zim 1987). Esenţa metodei este legată de creşterea

mărimii medii a picăturilor condensate în nori, deoarece formarea precipitaţiilor începe doar

dacă mărimea picăturilor din nori ajunge la o mărime potrivită. De aceea în nori se trimit

nuclee de condensare artificiale, de exemplu K7 sau Ag7.

Un alt procedeu eficient se foloseşte în proiectul numit El Tofo. Acest proiect are la bază

observaţia că în locurile unde deşertul este despărţit de mare, de munţi scunzi, deşi umezeala

din aer este mare, procesul de formare a precipitaţiei nu porneşte. Cauza este că munţii sunt

prea scunzi pentru ca în aerul ascendent să înceapă condensarea. De aceea în aceste locuri se

întind plase enorme din polipropilenă, pe structura fibroasă a cărora sunt deja condiţii pentru

pornirea procesului de condensare.


II.2. Proprietăţile fizice şi chimice ale apei

Apa reprezintă una dintre substanţele cele mai importante ale proceselor biologice,

geochimice, respectiv geofizice. Marea majoritate a proprietăţilor apei diferă de cele ale altor

lichide. Căldura specifică este mare, de asemenea căldura latentă de evaporare este mare, de

aceea oceanele au un efect important în modificarea climei, deoarece apa este capabilă de

schimb de căldură important în timp ce temperatura ei practic rămâne aproape constantă.

Constanta dielectrică este mare, iar coeficientul de dilatare mic, punctul de topire sau fierbere

este mare, iar temperatura critică ridicată. Spre deosebire de alte lichide, volumul apei creşte

la îngheţare, ceea ce se explică cu existenţa punţilor de H. Dacă se formează toate punţile

posibile de H, atunci un atom de oxigen este înconjurat de alţi 4 atomi de oxigen într-un

aranjament tetraedric. Punţile de hidrogen fixează o anumită distanţă între atomi, iar în lipsa

punţilor de hidrogen moleculele de apă de formă V se pot aranja şi la distanţe mai mici una de

alta. Deci, dacă creşte numărul punţilor de hidrogen (de exemplu la îngheţare) creşte şi

volumul apei. Cu punţile de hidrogen se poate explica şi faptul surprinzător că apa de 0oC la o

încălzire până la 4oC îşi scade volumul, iar peste 4oC îşi creşte. Astfel la 4oC apa are un volum

minim, respectiv densitate maximă. La încălzirea apei – datorită mişcării termice mai

intensive, scade numărul punţilor de hidrogen, scade astfel şi volumul, dar apare fenomenul

de dilatare termică, ceea ce creşte volumul. Sub 4oC procesul de rupere a punţilor de hidrogen

este mai important, iar peste 4oC deja domină dilatarea termică. Dependenţa densităţii de

temperatură joacă un rol important la amestecarea unor straturi de apă şi astfel, implicit

devine importantă la conţinutul în oxigen al apelor.

Figura 14. Densitatea apei în funcţie de temperatură


Figura 15. Structura gheţii

Apele naturale conţin săruri dizolvate, gaze, compuşi organici precum şi poluanţi în

suspensie. Întrucât apa este polară, dizolvă bine substanţele ionice, dar grăsimile, uleiurile nu

le dizolvă bine. Concentraţia substanţelor dizolvate în râuri este de câteva zecimi, iar în

oceane este de 30-40 g/l. Conţinutul de substanţe dizolvate în ape dulci depinde de tipul rocii,

de procesele de eroziune, de vegetaţie şi de activitatea umană.

II.3. Oceane

Oceanele şi mările împreună formează oceanele lumii. O caracteristică a lor este că au

oglindă de apă unitară, adică nivelul lichidului în ele se formează astfel ca presiunile

hidrostatice să fie identice. Oceanele se deosebesc de mări cel mai simplu prin mărimea

bazinului lor, dar este o caracteristică a lor şi un sistem independent de circulaţie oceanică,

precum şi o concentraţie de sare relativ constantă în jur de 3,5%. Apele de mare au punct de

îngheţare mai coborât faţă de apa curată, datorită conţinutului de substanţe dizolvate. Astfel,

de exemplu, apa de mare cu o concentraţie de sare de 35‰ îngheaţă la -1,91oC. Concentraţia

apei de mare este mai mare decât a apei dulci datorită conţinutului de sare.


Culoarea mării spune multe despre puritatea apei. Pentru a o examina se pune o coală

de hârtie albă la 50 cm sub apă şi se studiază culoarea aparentă a hârtiei. În apă de mare

foarte curată coala pare să fie la început verde, apoi culoarea devine mai albăstruie, iar în final

dispare. Explicaţia fenomenului este că razele roşii şi galbene sunt rapid absorbite de apa

mării, iar razele albastre şi ultraviolete trec prin stratul de apă. Pornind de la Ecuator spre poli

apa mării îşi schimbă culoarea în verde albăstrui, apoi în verde, iar mările arctice au culoarea

gălbui-verde-gri. Explicaţia este că razele solare se reflectă pe planctonurile (totalitatea

organismelor vegetale şi animale, în general microscopice, care trăiesc în apă până la o

adâncime de 200 m şi care constituie hrana peştilor şi a altor animale acvatice) ce plutesc în

apă şi apar diferite efecte de culori. Spre poli în apele marine sunt din ce în ce mai multe

planctonuri, astfel se modifică şi culoarea lor.

Proprietăţile fizice ale apei explică şi starea de climă privilegiată a Europei de Vest şi

de Nord, căci Oceanul Atlantic moderează această climă. Oceanul se încălzeşte sub acţiunea

razelor solare în mod diferit faţă de uscat. Sub influenţa razelor solare uscatul se încălzeşte

repede şi puternic, dar prin emisie îi scade temperatura. Stratul superior al oceanelor are

căldură specifică mai mare, însă este amestecat de vânt, razele solare pot pătrunde la adâncimi

mai mari în apă şi drept rezultat este că deşi apa se încălzeşte mai lent decât solul sau aerul,

dar se şi răceşte mai lent, adică are un bilanţ de căldură mai echilibrat. Variaţia zilnică de

temperatură a oceanelor nu atinge 1oC.

Cea mai generală formă de mişcare a oceanelor este valul. Valurile se formează la

suprafaţă, adică la interfaţa dintre aer şi apă. Cauza este vântul, dacă are o viteză de curgere

de cel puţin 20 m/s. În urma frecării cu suprafaţa de apă iau naştere vârtejuri mărunte de aer

ceea ce cauzează variaţie de presiune care ridică, respectiv coboară suprafaţa.

Suprafaţa de apă devenită neuniformă este mai atacată de vânt şi astfel oscilaţiile

devin ample. Valuri mari se pot forma în largul mării care pot atinge şi 300 m lungime,

amplitudinea de 15 m şi viteza de 25 m/s. Dacă viteza vântului se intensifică rapid valul nu

poate urmări vântul din ce în ce mai intens şi în val se formează coame. Dacă valul loveşte

maluri stâncoase, abrupte apare spargere de val şi înălţimea lui creşte brusc. Erupţiile

vulcanice submarine şi cutremurele pot genera valuri, numite tsunami, apărând valuri inelare

ce se întind în cercuri, pot avea înălţime de 5-50 m şi parcurg distanţe mari, mii de kilometrii,

cu viteză mare.

Prin circulaţie oceanică înţelegem sistemele de curgere enorme, fără mal, care sunt

capabile de a transporta uriaşe cantităţi de apă. Aşa numiţii curenţi la mare adâncime iau

naştere în urma diferenţelor de temperatură sau densitate, determinate de salinităţi diferite.

Astfel de curent este în Oceanul Atlantic spre Ecuator, alimentat de apa rece de la pol. În


Marea Norvegiei, când acest curent ajunge aproape de suprafaţă, se răceşte puternic şi apa

dulce din ea îngheaţă. Astfel salinitatea creşte determinând în continuare creşterea

semnificativă a densităţii. Curenţii de suprafaţă se formează sub influenţa vântului. De

exemplu, curentul Golf se datorează vânturilor vestice sub influenţa cărora curentul de apă

caldă ajunge din vârful sudic al Floridei până în Europa de Vest. În mod asemănător, vânturile

pasat conduc apa oceanelor de la Ecuator înspre vest. Aceste circulaţii nu înconjoară

Pământul din cauza existenţei continentelor şi astfel se formează sisteme de curenţi circulari

care au un rol important în modificarea climei.

Amestecările pe verticală, care apar în primul rând din cauza diferenţelor de densitate

ale unor straturi, sunt importante îndeosebi din punctul de vedere al biotei marine. La poli şi

în zona moderată, straturile de suprafaţă se răcesc iarna, creşte densitatea lor şi astfel se

scufundă ajungând în straturile adânci apă bogată în oxigen. Primăvara creşte numărul

planctonurilor, legând substanţele nutritive. La sfârşitul verii ele se distrug, se scufundă, iar cu

ocazia amestecării de iarnă ajung la suprafaţă servind drept substanţă nutritivă pentru vietăţile

următoare. La tropice însă stratul de apă de suprafaţă este cald tot anul, nu există astfel

convecţie, nu ajung la suprafaţă planctonurile prăpădite care ar însemna substanţe nutritive.

Astfel în mările calde biosfera este mult mai săracă. Dacă apa dulce ce se varsă de pe uscat în

mare nu se poate amesteca cu apa mării, atunci ea se va stratifica la suprafaţă având densitate

mai mică şi astfel dispare schimbul de apă pe verticală şi legătura între apa mării şi atmosfera.

Rezerva de oxigen a apei la adâncime se epuizează ca atare total.

Stratificarea oceanului pe baza distribuţiei de densitate şi de temperatură este

următoarea: stratul de suprafaţă are aproximativ 100m grosime şi temperatura în jur de 10oC.

El este urmat de un strat de schimb de 1000m în care temperatura scade la 4oC, iar apa din

adâncuri ce urmează are temperatura în general de 3oC. Salinitatea este determinată de

mărimea evaporării faţă de precipitaţie, evaporarea rapidă o creşte, iar precipitaţia abundentă

o scade. Salinitatea cea mai mare se poate constata la latitudinea 20o Nord şi Sud unde

evaporarea excede mult precipitaţia. În general partea nordică a Oceanului Atlantic este cea

mai caldă şi cea mai salină, iar la Antarctica, apa oceanului este rece şi mai puţin salină.

Poluarea în creştere continuă a oceanelor reprezintă probleme grave pentru toată

omenirea. Nu este vorba doar de scufundarea vaselor transportatoare de ţiţei, ceea ce

înseamnă poluări directe ci şi de deşeurile de pe uscat care prin intermediul râurilor ajung în

ocean. Din diferite surse ajung în ocean anual 20 de miliarde de tone de substanţe dizolvate şi

în suspensie. Aceste îşi manifestă efectele în primul rând în zona malului unde şi procesele

biologice sunt cele mai vioaie.


În ecosistemele marine au apărut deja substanţele chimice otrăvitoare greu de

descompus de exemplu compuşi de metale grele sau DDT-ul interzis deja. Anual ajung în

oceane 5 milioane de tone de ţiţei, o parte din care se evaporă, respectiv bacteriile îl

descompun, procese naturale care scad parţial efectul nociv al ţiţeiului ajuns în ocean.

Descompunerea bacterială este însă foarte înceată şi ţiţeiul poate omorî mai multe vietăţi

marine. Mările închise au faţă de suprafaţa lor totală o lungime de mal mare, de aceea sunt

mai mult ameninţate de poluare. Principiul general este că oceanele, din cauza masei enorme

de apă, sunt mai puţin expuse pericolului poluării, curăţirea oceanelor este o temă foarte

dificilă.

II.4. Lacuri

Lacurile sunt acele ape stătătoare pe termen lung de pe uscat, care nu au legătură

directă cu oceanele. Masa lacurilor cu apă dulce reprezintă 0,009% din masa globală a

hidrosferei, iar cea a lacurilor cu apă sărată 0,0075%. Extinderea suprafeţei lacurilor şi masa

lor de apă variază considerabil. Unele lacuri se usucă, dispar din cauza modificărilor de climă,

altele noi apar fiind produse artificial. Totuşi, în general, putem spune că masa totală a

lacurilor scade deoarece lacurile au viaţă scurtă din cauza posibilităţilor de încărcare a lor, iar

pe cale naturală se formează foarte încet.

Completarea apei dispărute din lacuri se face prin precipitaţia căzută pe suprafaţa

lacului; prin apa adusă de pârâuri, canale, râuri; prin apa infiltrată la baza bazinului. Scăderea

cantităţii de apă are loc prin evaporare şi scurgeri diferite. Bilanţul gospodăririi apei lacurilor

este determinat de raportul acestor procese. Vorbim de lacuri cu sursă, dacă bilanţul cantităţii

de apă este cu profit, lacuri de tranziţie dacă bilanţul hidrologic este echilibrat. În locurile

calde, cu climă uscată sunt caracteristice lacurile fără scurgere, în cazul cărora evaporarea

scade semnificativ cantitatea de apă a lacului, ceea ce precipitaţia puţină nu o poate

compensa.

Temperatura lacurilor este mai puţin constantă în comparaţie cu oceanele, fiind vorba

de masă redusă de apă, dar variază mai puţin în comparaţie cu solul. Variaţia zilnică a

temperaturii de exemplu în cazul lacurilor din zona moderată este de 4-6oC.

Compoziţia chimică poate fi foarte variată în anumite straturi ceea ce este consecinţa

amestecării din cauza variaţiei de temperatură. Cu creşterea temperaturii densitatea prezintă o

schimbare anormală, până la temperatura de 4oC , densitatea creşte, iar apoi scade. Gheaţa

având densitate mai mică pluteşte totdeauna pe suprafaţa apei. Într-un lac de adâncime medie,

în clima moderată, unde temperatura peste tot este mai mare decât 4oC, există o stratificare


bine observabilă. Stratul superior al lacului are temperatură mai ridicată, o grosime ce ajunge

şi la 5m din cauza efectului de amestecare a vântului, densitatea acestui strat este mică şi ca

atare nu se scufundă. Numele acestui strat este epilimnion. Urmează aşa numitul strat

mezolimnion, în care temperatura scade rapid. În stratul de jos numit hipolimnion,

temperatura este scăzută şi este aceeaşi în toată grosimea. În funcţie de zonele climatice,

respectiv în funcţie de adâncimea lacurilor poate să apară amestecare. Lacurile cu apă dulce

sunt clasificate pe baza existenţei amestecării între epilimnion şi hipolimnion. În caz afirmativ

vorbim de lac halomictic, în lipsa amestecării se numeşte lac mezomictic.

Lacurile halomictice se pot clasifica la rândul lor după numărul amestecărilor:

- lac dimictic – se amestecă de doua ori pe an;

- lac monomictic – se amestecă o dată pe an;

- lac oligomictic – se amestecă aleatoriu – de exemplu lacurile tropice, respectiv

lacurile cu apă caldă;

- lac cu adâncime redusă – amestecarea este continuă din cauza vântului;

- lacuri foarte adânci – amestecarea are loc doar până la straturile superioare din

hipolinion.

Lacurile calde monomictice se găsesc în zone cu climă caldă, unde temperatura lacului nu

scade niciodată sub 4oC. Sunt caracteristice aşa numite stratificări de vară – deja amintite –

însă iarna există o circulaţie. Suprafaţa de apă se răceşte continuu, astfel densitatea creşte şi

această masă de apă răcită se scufundă în straturile mai joase.

Apa lacurilor monomictice nu depăşeşte niciodată 4oC, asemenea lacuri găsindu-se la

latitudini mai mari. Ele prezintă aşa-numita stratificare de iarnă, în straturile superioare fiind

apă mai rece, căci la temperaturi sub 4oC corespunde densitate mai mică. Aceste lacuri de

obicei sunt acoperite de gheaţă. În cazul lor amestecarea se petrece vara, când densitatea

stratului superior creşte prin încălzire, ceea ce asigură o circulaţie pe verticală.

Lacuri dimictice găsim în zone cu latitudini mijlocii, unde clima este rece şi moderată.

Vara se poate observa stratificarea de vară în aceste lacuri. Aceasta este o stratificare stabilă,

ceea ce înseamnă totodată că straturile mai adânci sunt izolate de atmosferă, deci acolo nu

există completare de oxigen, împiedicând funcţionarea biosferei în apa adâncă. Toamna

epilimnionul se răceşte, dar nu are loc amestecarea până ce temperatura lui nu scade la

temperatura hipolimnionului, deoarece are densitate mai mică decât straturile mai joase.

Temperatura astfel –fără mişcare pe verticală – va deveni aceeaşi în toată coloana de apă. Dar

prin răcirea în continuare la suprafaţă densitatea straturilor superioare devine mai mare decât

cea a celor inferioare, porneşte circulaţia, toată apa lacului se amestecă. Când suprafaţa se

răceşte sub 4oC, se opreşte amestecarea deoarece va scădea densitatea stratului superior. În


cele din urmă stratul superior se răceşte mai departe, apoi îngheaţă, ceea ce înseamnă o nouă

întrerupere de aer şi în acelaşi timp o izolare termică pentru vietăţi. Primăvara gheaţa se

topeşte, apa se încălzeşte şi porneşte o amestecare asemănătoare cu cea de toamnă.

Amestecările de primăvară şi de toamnă au importanţă mare şi pentru aprovizionarea cu

oxigen a straturilor mai adânci.

II.5. Râurile

Râurile reprezintă doar o foarte mică parte a hidrosferei, însă importanţa lor este

deosebită, deoarece cultura umană, oraşele mari totdeauna s-au format în apropierea râurilor.

Râurile înseamnă apă potabilă, posibilităţi de irigare, modalitate de transport. Deşi cantitatea

de apă potabilă global este suficientă pentru toţi locuitorii Pământului, există probleme locale.

Numărul locurilor în care scăderea cantităţii apei potabile reprezintă o problemă este din ce în

ce mai mare. În special reprezintă o problemă poluarea greu eliminabilă sau acumulată în

cantitate prea mare, căci ea rămâne chiar dacă funcţionează autoepurarea râului.

Debitul de apă al râurilor depinde de mărimea bazinului hidrografic, de cantitatea, calitatea,

repartizarea în timp a precipitaţiei, intensitatea evaporării şi scurgerii precum şi relief,

minereuri şi vegetaţie. Jumătate din cantitatea de precipitaţii se evaporă şi ajunge înapoi în

atmosferă. Debitul de apă este determinat primordial de relaţia evaporare-precipitaţie. Râurile

cele mai mari le găsim în acele zone unde predomină precipitaţia faţă de evaporare (Amazon,

Mississipi, Jangte). În locurile unde evaporarea este puternică ţinutul se transformă în deşert.

Viteza râurilor depinde de secţiunea albiei, de cantitatea de apă precum şi de mărimea

pantei căderii. Panta râurilor se exprimă de obicei în miimi, ceea ce exprimă câţi metri a căzut

nivelul râului pe o distanţă de 1 km. În secţiunea curgerilor de apă există diferite viteze

datorită frecării externe. Astfel de-a lungul fundului albiei şi de-a lungul malului apa curge

mai încet. Dacă râul face multe curbe, albia devine asimetrică (din cauza forţei centrifugale).

Din cauza frecărilor externe iau naştere vârtejuri în râuri. Vârtejurile pot fi vârtejuri călătoare

(vârtejuri puţuri sau izvoare), vârtejuri staţionare sau chiar cu poziţie orizontală, numite

vârtejuri culcate. Râul, datorită vârtejurilor, atacă fundul şi marginea albiei, rupe bucăţi de

minereuri din ele. Această aluviune este dusă mai departe de apă şi folosită de ea pentru a

distruge fundul şi marginea albiei. Activitatea de eroziune a râului depinde deci şi de

capacitatea sa de transport de aluviune.

Diferitele materiale sunt transportate de râuri prin rostogolire, în suspensie sau fiind

dizolvate. Materialul rostogolit în timpul transportului se toceşte în funcţie de compoziţie.

Astfel ajung la distanţe diferite materialele de compoziţie minerală diferită. Bucăţile de cuarţ


se transportă mai departe decât carbonatul de calciu, bazaltul sau pietricelele nisipoase. Alte

materiale sunt în suspensie în apă, iar altele dizolvate formând soluţii adevărate sau coloidale.

Cantitatea de materiale suspendate din râuri se caracterizează prin debitul de sediment.

Conform unor estimări el este 19102 ⋅ tone/an, ceea ce se formează, în principal, din

transportarea rocilor. Debitul de sediment este cantitatea de aluviune raportată la unitatea de

suprafaţă a bazinului hidrologic.

Această cifră este cea mai mare pentru râul Gange la poalele munţilor Himalaya. Debitul de

sediment este determinat de:

- relieful bazinului hidrografic;

- înălţimea faţă de nivelul mării;

- panta;

- mărimea bazinului hidrografic;

- cantitatea apei transportate;

- clima;

- geologia albiei;

- activitatea umană (defrişarea pădurilor, agricultura).

În general, se poate spune că efectul de eroziune al râurilor de munte este cel mai

puternic, deci ele transportă sedimentul cel mai mult. În special, acele râuri mici de munte

care sunt la distanţă mică de oceane şi deci au şi suprafaţă de luncă mică (unde ar putea

depozita materialul transportat) au un debit de sediment extrem de mare. Dintre activităţile

umane, defrişarea pădurilor şi păşunatul exagerat cresc cantitatea de sediment, iar construirea

barajelor, muncile de îmbunătăţire a solului au efectul invers.

Cantitatea de aluviune depinde de debitul de apă. Cu creşterea debitului de apă creşte

cantitatea de aluviune solidă transportată ceea ce este rezultatul creşterii efectului de eroziune.

În schimb, cu creşterea debitului de apă scade concentraţia aluviunilor transportate sub formă

de soluţie. În cazul debitului de apă mare nu este timp ca apa să dizolve din straturile de sol

combinaţiile chimice.

Posibilităţile de poluare ale râurilor sunt multiple, fie prin vărsarea directă a unor

poluanţi, fie prin intermediul altor râuri secundare ale căror poluanţi ajung în râul principal

precum şi din sol poate lua apa râului mulţi poluanţi. Astfel apărarea râurilor nu este în

general problema unei ţări, ci necesită colaborare internaţională. Gura râurilor este în special

poluată, acolo se pot depune mari cantităţi de sedimente. Râurile ce traversează zone

industriale evident, conţin foarte multe substanţe poluante. Trebuie ţinut cont şi de faptul că

foarte multe substanţe periculoase pot ajunge din aer în râuri. Grijile devin şi mai mari


deoarece în agricultură şi industrie se folosesc din ce în ce mai multe substanţe solubile în

apă, care provoacă degradarea durabilă a calităţii apei.

Prin cota apei înţelegem variaţia normală, regulată a debitului de apă al râului. Există

variaţii sezoniere, regulate, care se pot clasifica după climă. În râu pot apărea şi cote de apă

neregulate, din motive neaşteptate (ploi violente, persistente, topire excesivă, ruperea unui

baraj).

Temperatura râurilor este determinată în primul rând de raportul radiaţiilor primite şi

emise. Curgerea râurilor asigură o amestecare continuă, ca atare nu apare în ele stratificare

după temperatură. Variaţia zilnică de temperatură în râuri este sub 1oC. Pe suprafeţele reci,

unde apa se răceşte sub 0oC, râurile îngheaţă, având un mecanism aparte. Întrucât în râu apa

se amestecă în continuu, temperatura este practic aceeaşi în toată secţiunea, deci formarea

gheţii poate porni în tot volumul. Topirea poate avea loc pe grăunte de aluviune, pe fundul

râului, respectiv în zonele de lângă mal. Gheaţa are densitate mai mică decât apa, de aceea

pluteşte la suprafaţa apei şi formează blocuri de gheaţă. În râuri cu apă curată – în lipsa

centrelor de cristalizare – formarea gheţii este mai nesemnificativă. Râurile repezi şi pârâurile

îngheaţă mai greu din cauza căldurii rezultate în urma frecării. Durata existenţei blocurilor de

gheaţă depinde de climă. Primăvara începe o topire lentă a gheţii, topirea zăpezii ce acoperă

bazinul hidrografic este mai rapidă. Ca atare pe râu apare un val de undă de viitură care

sparge gheaţa, blocurile de gheaţă rupte se blochează şi se formează aglomerare de banchize.

Astfel apare inundaţia provocată de blocuri de gheaţă.

II.6. Ape subterane

21,8% din apa dulce a Pământului se găseşte sub suprafaţa terestră, râurile şi lacurile

reprezintă doar 0,34%. De aici rezultă importanţa apelor subterane precum şi faptul că baza

principală a folosirii apei reprezintă şi azi acest „rezervor”. În nucleul Pământului şi în

mantaua interioară nu găsim apă şi nici elementele sale constituente, care apar doar în

mantaua exterioară. Prezenţa apei este certă doar deasupra adâncimii de aproximativ 30 km.

Se cunosc multe clasificări ale apelor subterane. După origine se pot împărţi în două

grupe mari (Juhasz, 1976):

- apa juvenilă este apa de adâncime care intră pentru prima dată în ciclul

hidrologic;

- apa vadoză este apa care a participat deja în ciclul hidrologic, adică ajunge pe

suprafaţa Pământului sub formă de precipitaţie din atmosferă şi de aici se

infiltrează în sol.


Apa juvenilă poate fi, după altă clasificare:

- apă din interiorul Pământului, care dintr-un motiv se ridică spre suprafaţă,

respectiv în acest interval se formează apa;

- apă solară – hidrogenul sosit din Soare intră în reacţie cu oxigenul din atmosferă,

formând apă. Acest mecanism este demonstrat de existenţa stratului de nor la

înălţimea de 60 km unde nu mai pot ajunge vaporii de apă de pe Pământ.

Apa vadoză poate fi clasificată în continuare:

- apă de condensare – este numită acea apă care este luată cu aerul ce pătrunde în

scoarţa Pământului, acolo se răceşte şi apoi se condensează. Această apă are

importanţă minoră în zonele cu climă moderată, dar pe malurile mării în zone de

deşert este semnificativă;

- apa de infiltraţie – este apa care în ciclul hidrologic se infiltrează de la suprafaţă

în scoarţa terestră şi cu timpul părăseşte stratul respectiv. Au o foarte mare

importanţă în suplimentarea apei subterane;

- apa fosilă - este apa care a jucat rolul de apă de pori când straturile s-au

sedimentat şi a rămas acolo. Putem numi apă fosilă în special apa care însoţeşte

ţiţeiul. Apa fosilă îşi poate părăsi locul originar în timpul consolidării sau sub

influenţa cutremurelor;

- apă de cristalizare – este apa legată în roci sub formă de hidroxid, respectiv

hidrosilicat;

- apă de transpiraţie – este apa care ia naştere în felul următor: roca de pe

suprafaţa terestră leagă pe cale fizică sau chimică apă, apoi roca se strânge şi

conţinutul de apă se distilează. Evident această distilare are loc în acel strat unde

temperatura este de 100oC şi 375oC, adică între punctul de fierbere şi temperatura

critică a apei.

Clasificarea apelor subterane se poate face şi pe baza forţelor ce acţionează determinant

asupra apei din strat:

- în cazul apei de cristalizare apa se găseşte în interiorul rocii de exemplu sub

formă de hidroxid, deci legătura chimică este determinantă;

- apa de pori se găseşte în găurile legate dintre grăunţe sunt importante forţele

moleculare sau capilare;

- apa din fisurile rocilor este supusă la forţe de gravitaţie;

- apa din sistemele de peşteri şi cavităţi apare în rocile carstice, deci tot forţele de

gravitaţie sunt determinante.


Din punctul de vedere al mişcării apelor putem vorbi de apă curgătoare, stătătoare sau

care se mişcă sub formă de vapori de apă, respectiv apă infiltrată.

Pe baza temperaturii se pot deosebi: apă rece, caldă, călduţă.

Pe baza compoziţiei chimice putem vorbi de apă plată, apă minerală, apă curativă.

În cazul apei minerale apa conţine părţi componente solide într-o concentraţie mai

mare decât 1000mg/l sau prezintă o cantitate de elemente biologic active ce se pot pune în

evidenţă, sau are un conţinut mare de gaze dizolvate.

Apa curativă (termală) reprezintă apa minerală utilizată în scopuri farmaceutice.

Apele subterane pot fi clasificate şi după criterii practice:

- apă freatică este masa de apă sub suprafaţa terestră deasupra primului strat

impermeabil, asupra căruia factorii meteorologici au o influenţă importantă. În partea

superioară a solului se găseşte aşa numita zonă aerociotică sub care se găseşte zona capilară.

În apropierea suprafeţei capilarele conţin pe lângă apă şi aer, adică relativ la apă porii sunt

nesaturaţi. În straturile mai adânci capilarele conţin doar apă, adică relativ la apă porii sunt

saturaţi. Pânza freatică este adâncimea la care se despart nivelele nesaturate de cele saturate

în zona capilară.

Figura 16. Localizarea apei freatice

Nivelul apei freatice este determinat de numeroase condiţii externe, în special de

cantitatea de precipitaţie şi gradul de evaporare, dar joacă rol important şi curgerile.

În zona cu climă moderată primăvara creşte nivelul apei freatice, iar în lunile de vară uscate

scade semnificativ. Apa freatică poate fi cu suprafaţă deschisă, când presiunea atmosferică

zonaaerociotă

nesaturată saturată stratacvifer

stratimpermeabilzonă capilară

Pânza freatică


acţionează asupra ei. În cazul în care deasupra stratului în care se găseşte apa se află un strat

impermeabil, zicem că apa freatică este cu suprafaţă închisă. Dacă nivelul apei freatice se află

mai sus decât planul superior al stratului impermeabil, atunci apa este sub presiune. În cazul

apei freatice duble în stratul cu apă se găseşte ca o lentilă un strat impermeabil şi astfel o parte

din apa freatică poate fi sub presiune.

Suprafaţa apei freatice urmăreşte în mare relieful suprafeţei terestre, dar au influenţă

şi mărimea granulelor rocilor, vegetaţia, respectiv factorii meteorologici. De exemplu, în

cazul unor dimensiuni mai mari de granule, vegetaţie cu rădăcini puternice respectiv vegetaţie

cu evaporare puternică, pânză freatică va fi mai scăzută.

Compoziţia chimică a apei freatice depinde de tipul gazelor aduse de apa

meteorologică, de eventuali poluanţi ajunşi de pe suprafaţa solului şi de substanţe dizolvate

roci.

Apa de adâncime este apa de sub suprafaţa terestră care nu mai este expusă la

influenţa factorilor meteorologici. Poate fi apă de pori, la care există un volum de cavităţi

legat şi apă de fisură la care nu există volum de cavităţi legat. Limita inferioară a apei de

adâncime este la 30 km adâncime, unde apa se găseşte la temperatura critică. Aceasta

înseamnă, că în această regiune apa se poate găsi doar în stare lichidă.

Apa de strat este masa de apă independentă de influenţele meteorologice care umplu

crăpăturile coerente ale rocilor de sediment sub suprafaţa terestră.

Apa carstică – apa depozitată în fisurile, crăpăturile, buşele, peşterile rocilor cum ar fi

dolomit, calcar, dar şi gips, respectiv sare gemă.

Apa de fisură se adună în crăpăturile, cavităţile, grotele rocilor concise.

Din punctul de vedere al apelor freatice cel mai important este capacitatea rocilor de a

conduce şi a depozita apa, ceea ce depinde de proprietăţile fizico-chimice: porozitate, tensiune

superficială şi permeabilitate.

Porozitatea este sistemul capilarelor, cavităţilor interne din sol, din roci. În general

porozitatea rocilor vulcanice este foarte mare, dar şi a sedimentelor este considerabilă. Cea

mai mare porozitate poate avea argila, iar pietrişul ceva mai mică. Porozitatea scade cu

adâncimea, astfel marea parte a apei freatice se găseşte într-un strat de câţiva kilometrii.

Forţele de legătură superficiale depind de compoziţia minerală, dar contează şi mărimea

granulelor. În cazul granulelor mici, volumul total de pori este mare, deci şi suprafaţa de pori

este mai mare şi ca atare forţele de legătură superficiale se manifestă mai puternic. Apa astfel

legată nu se poate recupera complet.

Permeabilitatea reprezintă capacitatea de a permite trecerea lichidelor şi gazelor.


Roca cu sistem poros legat are permeabilitate mare. Argila are porozitate mare, dar întrucît

formează un sistem prin care nu se trece, are permeabilitate mică.

Strat conductor de apă reprezintă rocile poroase permeabile cum ar fi: pietrişul,

nisipul, calcarul, iar strat impermeabil este de exemplu argila.

II.7. Apele naturale, ca sisteme compuse

Apele din natură au 4 „componente”, şi anume:

- apa de bază, adică apă distilată la 0oC;

- componente chimice;

- componente biologice;

- componente fizice.

Componentele fizice ale apei se clasifică în alte 5 grupe mari: aluviuni, substanţe

organice, conţinutul de căldură, poluanţi gazoşi şi poluanţi radioactivi.

Prin aluviune se înţelege poluarea formată din grăunţe minerale care pot fi: de mărime

mare, dar care sedimentează foarte repede; de mărime mică care au o mişcare Browniană

intensivă; respectiv de mărime mijlocie, caracterizate de sedimentare lentă. Particulele care nu

sedimentează sunt cauza opacităţii apei.

În funcţie de temperatură se pot clasifica după diferite criterii, de exemplu după

utilizare se disting:

- apă potabilă – cu temperatura 10-16oC;

- apă pentru băi – cu temperatura 35-38oC;

- apă fierbinte – cu temperatura 60-90oC.

Radioactivitatea apei poate proveni de la apa însăşi (de exemplu apa grea) sau de la

substanţele, în special gazele, dizolvate în ea. Dintre apele naturale, în straturile adânci din

oceane, mări şi lacuri conţinutul de triţiu este cel mai mare, deci acolo radioactivitatea apei

este mare.

Capitolul III. Solul


Solul se formează la frontiera litosferei, hidrosferei, biosferei şi atmosferei prin

interacţiunea lor.

Solul este stratul afânat ce acoperă roca de bază, format în urma procesului de

dezagregare chimică şi fizică şi de formare a humusului de către substanţe organice. Solul

poate fi considerat ca un sistem polidispers trifazic. Trifazic, deoarece în cavităţile dintre

particulele solide se găsesc apă şi aer; polidispers, deoarece este format din particule de

dimensiuni diferite.

III.1. Solificare

În solificare factorii determinanţi sunt geologici, meteorologici, de relief, biologici

precum şi vârsta solului. Cel mai important factor este însă clima, şi anume cantitatea

precipitaţiei şi temperatura, adică implicit evaporarea respectiv vântul.

Pentru dezagregarea chimică a solului sunt necesare precipitaţie suficientă şi

temperatură ridicată, deci în zonele cu climă fierbinte şi umedă dezagregarea chimică este

rapidă. În urma dezagregării chimice se modifică calitatea materiei rocii de bază, ceea ce nu

se întâmplă în cazul dezagregării fizice.

Mărunţirea fizică are loc acolo unde nu există apă suficientă pentru transformare chimică sau

temperatura este scăzută. În zona uscată şi semiuscată cauza mărunţirii fizice este oscilaţia

zilnică a temperaturii în jur de 50-60oC, dar efect similar apare şi pe versanţii sudici ai

munţilor. În zona rece şi în munţii înalţi predomină mărunţirea cauzată de îngheţ. În acest

caz apa din crăpături îngheaţă, îşi măreşte volumul şi apare o forţă de tensiune care duce la

mărunţire fizică. Are efect şi faptul că ziua rocile se încălzesc, iar noaptea se răcesc puternic.

În cazul rădăcinilor plantelor pe lângă efectul de mărunţire fizică contează rolul acizilor din

rădăcină pentru efectul chimic. Evaporarea are importanţă în special în zonele aride şi

semiaride. Vântul creşte intensitatea evaporării, dar contribuie şi la transportul produşilor de

dezagregare în special la cel al grăunţelor fine de sol.


III.2. Caracteristicile solului

Proprietăţile fizice ale solului determină bilanţul de apă, aer şi căldură al solului. Cele

mai importante proprietăţi fizice sunt textura şi structura.

Textura dă raportul de masă al grăunţelor de dimensiuni diferite care se găsesc în

solul respectiv. Fracţiunile mecanice individuale se pot ordona conform clasificării lui

Atterberg.

Mărimea particulei (mm) Denumirea fracţiunii

2000-200 boc

200-20 pietriş macrogranulat

20-2 pietriş mărunţit

2-0.2 nisip macrogranulat

0.2-0.02 nisip neconsolidat

0.02-0.002 mâl

<0.002 argilă

Figura 17. Scara de clasificare Atterberg

Tipurile de sol pot fi caracterizate şi prin raportul procentual al particulelor

constituente mai mici decât 0.01 mm.

Denumirea solului Procentajul părţii şlemuite

nisip macrogranulat 0-1

nisip 10-15

nisip lutos 15-35

lut nisipos 25-35

lut 35-60

lut argilos 60-70

argila 70-80

argila grea 80-90

Figura 18. Tipuri de sol pe baza procentajului părţii şlemuite

Textura influenţează în primul rând porozitatea. În solurile cu macrogranulaţie

volumul total de pori este în jur de 20-40%, iar în cele cu microgranulaţie în jur de 40-60%.

Contează mult şi mărimea porilor, căci în macropori aerul şi apa pot circula mai liber. Solurile


nisipoase se comportă ca izolatoare termice având în macroporii lor mult aer (care este un slab

conductor termic). Apa trece repede prin solul nisipos, inconvenabil şi pentru vegetaţie căci

rădăcinile nu au timpul necesar de a extrage substanţele nutritive din curgerea rapidă a apei.

Solurile argiloase nu sunt convenabile din punctul de vedere al bilanţului de apă şi aer.

Argila cu granule mărunte are suprafaţă specifică mare, deci şi capacitate de legare

superficială mare (adică leagă multă apă pe suprafaţa porilor). Astfel însă aerul nu mai poate

pătrunde în porii umpluţi cu apă. Acest fapt nu este benefic plantelor, deoarece în sol nu este

suficient oxigen pentru respiraţia rădăcinilor.

Structura solului înseamnă tipul agregatelor rezultate în urma legării constituentelor

primare. Ea poate fi cubică, (cu bulgări, fărâmată, granulată) prismatică, de formă alungită

într-o direcţie.

Rezistenţa solului faţă de muncile agricole se caracterizează prin afânare. Afânarea

poate fi exprimată prin numărul lui Arany. El se calculează astfel: la o anumită cantitate dată

de sol se adaugă cantitatea de apă necesară ca el să devină masticabil. Raportul procentual al

maselor de apă şi sol este numărul lui Arany. Valorile pentru diferite soluri sunt: nisip<30, lut

38-42, argilă >50.

Mărunţirea bucăţelelor de sol determină caracterul coloidal al solului. Dacă

dimensiunea granulelor este mai mică ca 0.001 mm, solul este coloidal. Cu mărunţire creşte

suprafaţa specifică şi astfel solul poate să lege cantitate mare de apă sau substanţe minerale.

În sol apa poate fi ca: umezeală higroscopică, apă capilară, apă de gravitaţie şi apă

freatică.

Apa higroscopică – este apa aderată la suprafaţa granulelor, graţie tensiunii

superficiale şi efectului de adeziune. Prin adeziune se leagă în soluri argiloase cantitate mare

de apă, în schimb în soluri nisipoase este nesemnificativă.

Apa capilară - se găseşte în jurul pânzei freatice, ea fiind de maximă importanţă

pentru vegetaţie. Intensitatea urcării capilare a apei este cea mai mare în cazul solului nisipos,

iar în cazul argilei este cea mai mică.

Apa de gravitaţie sau de drenare este apa care trece prin porii solului (apa care nu a

fost legată prin adeziune, respectiv coeziune). Cantitatea ei este mare în cazul macroporilor.

Aerul din sol umple părţile neocupate de apă din pori. Compoziţia lui diferă de aerul

atmosferic, CO2 fiind 1-10%, adică O2 este mai scăzut. Aerul din sol se poate schimba cu

aerul atmosferic prin difuzie. Apele infiltrate pot dizolva unele gaze, în special CO2. Mişcarea

aerului din sol este mai vioaie în cazul solurilor cu macropori.

Bilanţul de căldură al solurilor este mult influenţat de conţinutul lor de apă şi aer.

Solul umed se încălzeşte mai greu, având căldură specifică mare. Spaţiile mari de pori,


umplute cu aer, scad conductibilitatea termică a solului, deoarece gazele nu conduc bine

căldura. Astfel se explică faptul că în zilele de vară suprafaţa nisipului se încălzeşte puternic,

dar la o adâncime de aproximativ 10 cm sub suprafaţă temperatura poate fi chiar cu 10oC mai

mică. În general, solul este un bun izolator termic, de aceea oscilaţia zilnică se poate

evidenţia până la adâncimea de 80 cm iar oscilaţia sezonieră până la adâncimea de 8-10 m.

III.3. Agricultura

Solul are rol dublu în formarea mediului uman. Pe de o parte, solul este parte

importantă din mediul natural; pe de altă parte, el este teren producător important pentru

societate. Rolul protecţiei mediului este şi el dublu din punct de vedere al solului. Este nevoie

să se obţină o stare care păstrează rolul solului în ecosistemul natural şi menţine rolul solului

jucat cu societatea umană. Agricultura este activitatea cea mai veche prin care omul a

intervenit în mediul natural. Prima sarcină a ei a fost eliminarea vegetaţiei naturale, în locul

căreia au fost introduse diferite culturi de plante. Agricultura a însemnat schimbări importante

în mediu, de exemplu: vegetaţia strămoşească ar fi reţinut mai multă apă; stratul superior al

solului s-a transformat încetul cu încetul în praf; intervenţia omului a schimbat microclima

prealabil existentă.

Capitolul IV. Radiaţia radioactivă naturală şi efectele ei


Elementele radioactive naturale se găsesc la sfârşitul tabelului Mendeleev, fac parte din

categoria metalelor grele, de masă atomică mare. Uraniu, radiu, poloniu se găsesc practic

peste tot, solul conţine aceste elemente oriunde. Organismele vii conţin şi ele izotopi

radioactivi, de exemplu 40K, 3H (triţiu) şi 14C (radiocarbon). Există substanţe radioactive ce

iau naştere în atmosferă prin interacţiunea atomilor din aer cu radiaţia cosmică, de exemplu

izotopii 14C sau 3H. Radioactivitatea aerului din vecinătatea solului nu provine însă de la

aceşti doi izotopi, ci de la radonul din sol, respectiv de la produşii de dezintegrare ai

radonului.

IV.1. Tipuri de radiaţii radioactive

Deosebim trei tipuri de radiaţii radioactive naturale.

Radiaţia α constă din nuclee de He (2 protoni şi 2 neutroni). Masa particulelor α

este kg2710645.6 −⋅ , viteza lor este 5-6% din viteza luminii. Energia lor cinetică variază între

4.6-10.4 M eV. Radiaţia α are o capacitate de ionizare mare, şi anume o particulă α trecând

prin aer pe o distanţă de 1 cm în general produce 100 000 de perechi de ioni. Ca atare, după

parcurgerea unei distanţe relativ scurte, îşi pierde energia din cauza ionizărilor frecvente.

Radiaţia β constă din electroni rapizi, viteza lor variază într-un interval larg,

ajungând chiar la 99% din viteza luminii. Energia lor este de ordinul keV până la M.

Capacitatea de ionizare a radiaţiei β este o sutime din cea a radiaţiei α . Printr-o placă de

aluminiu de grosime 5 mm nu mai trece.

Radiaţia γ este radiaţie electromagnetică de frecvenţă înaltă emisă de nucleul excitat.

Nucleul poate ajunge în stare excitată ca urmare a emisiei radiaţiei α sau β , adică radiaţia γ

este un însoţitor al radiaţiei α şi β . Energia aşa numitului foton-gamma este între 0,01-4

MeV. Capacitatea de ionizare a radiaţiei γ depinde de energie. Printr-o placă de aluminiu de

grosime 5cm nu mai trece.


IV.2. Caracteristicile cantitative ale radioactivităţii

Viteza dezintegrării radioactive se caracterizează prin activitate. Activitatea (a) este

numărul nucleelor dezintegrate în unitatea de timp:

dtdNa = (11)

unde dN – numărul nucleelor de dezintegrare, dt – intervalul de timp.

Unitatea de măsură a activităţii în SI este 1s-1=Bq (Becquerel). 1Bq este activitatea unei

substanţe radioactive, în care un nucleu se dezintegrează pe secundă.

Constanta de dezintegrare (λ ) depinde doar de substanţă, fiind egală cu scăderea

relativă a numărului nucleelor în unitatea de timp.

dtNdN

=λ (12)

(N – numărul iniţial al nucleelor). Unitatea de măsură este s-1. Valorile lui λ variază

între 10-1-10-16 s-1.

O altă caracteristică a elementelor radioactive este timpul de înjumătăţire T½, care este

egal cu intervalul de timp în care jumătate din nuclee se dezintegrează.

λ2lnT 2/1 = (13)

Radiaţia radioactivă prin efectul ei ionizant dăunează celulelor vii. Efectul biologic al

radiaţiei depinde de energia radiaţiei şi de masa substanţei vii. Doza de energie (D) este

energia radiantă absorbită de unitatea de masă de materie vie:

mED = (14)

unde E – energia radiaţiei radioactive, m- masa materiei vii. Unitatea de măsură a dozei de

energie este 1 J/kg=Gy (Gray).

Efectul biologic depinde de capacitatea de ionizare a radiaţiei. S-a introdus doza

efectivă (H):

QDH = (15)

unde Q este un factor de calitate. Unitatea de măsură a dozei efective este 1Sv (Sievert)=1

J/Kg.

Valoarea factorului de calitate în cazul radiaţiilor Röntgen, gamma şi beta este 1,

pentru neutron lent 2, neutron rapid 10 şi radiaţia alfa 20.


Efectul biologic este influenţat şi de timpul de iradiere. Cu cît timpul de iradiere este mai scurt

la o doză dată, cu atât efectul biologic este mai mare.

Cercetările au demonstrat că radiaţia radioactivă are efecte diferite asupra diferitelor

organe. Ionii generaţi de radiaţie provoacă daune mai mari acolo unde au loc procese

biochimice intense. S-a introdus noţiunea de doză echivalentă efectivă (Hef) care ia în

consideraţie şi sensibilitatea la radiaţie (w) a ţesuturilor diferite (w):

wHH fe = (16)

Unitatea de măsură a dozei echivalente efective este tot Sievert.

testicul, ovar

plămâni

măduva osoasă

tiroidă

suprafaţa osului

altele

35%

15%

12%

5%

3%

20%

Figura 19. Sensibilitatea la radiaţie a unor ţesuturi

IV.3. Radioactivitatea naturală

Radiaţia ionizată naturală, numită radiaţia de fond, a existat deja şi la apariţia vieţii pe

Pământ şi astfel organismele vii au învăţat să se adapteze la ea. Sursele de radiaţie naturală

pot fi externe şi interne.

Surse externe sunt radiaţia cosmică, radioactivitatea scoarţei terestre, a materialelor de

construcţie şi radioactivitate naturală a atmosferei.

Surse interne sunt radioizotopii naturali ajunşi în organismul uman.

Radiaţia cosmică a fost descoperită în 1911, când s-a constatat prin experimente cu

baloane că în straturile superioare ale atmosferei densitatea de sarcină este mai mare decât la

nivelul mării. Prealabil s-a presupus că ionizarea atmosferei se datorează izotopilor radioactivi

ai scoarţei Pământului, însă experimentele au demonstrate că trebuie să existe o radiaţie

extraterestră care ionizează atmosfera superioară. Această radiaţie a fost ulterior denumită

radiaţie cosmică.


Radiaţia cosmică primară constă din protoni (70-80%), particule alfa (20-30%) şi

nuclee mai grele (2%) cum ar fi O, C, Fe, etc. Particulele radiaţiei cosmice interacţionează cu

nucleele din atmosferă şi astfel ia naştere aşa numita radiaţie cosmică secundară, formată din

diferite particule elementare în special din fotoni. În starturile inferioare ale atmosferei ajung

doar particulele radiaţiei secundare.

Particulele radiaţiei cosmice pot ioniza atomii atmosferici – atunci apar – electroni –

sau provoacă transformări de nuclee – atunci apar aşa numiţii izotopi cosmogeni de exemplu:3H, 14C, 22Na, 24Na, 7Be, 10Be.

Particulele radiaţiei cosmice au o energie de ordinul 10-11 J. Radiaţia cu energie mai

mare este considerată de origine galactică, iar componenta de energie mai mică are drept izvor

Soarele.

Întrucât radiaţia cosmică constă mai ales din particule încărcate electric, câmpurile

electrice şi magnetice o pot devia. Şi câmpul magnetic terestru deviază radiaţia cosmică, de

aceea la suprafaţa terestră ajung doar particulele cu viteză mare, adică cu energie mare. Tot

datorită câmpului magnetic terestru deasupra polilor intensitatea radiaţiei cosmice este mult

mai mare decât, de exemplu, deasupra Ecuatorului.

Intensitatea radiaţiei cosmice depinde, printre altele, şi de presiune şi de temperatură.

Dacă presiunea atmosferică scade, intensitatea radiaţiei creşte. În cazul creşterii temperaturii

atmosferei se constată scăderea intensităţii componentelor de energie mare, căci în acest caz

procesele secundare se petrec în straturi mari înalte. Evident, activitatea solară, variaţia

câmpului magnetic influenţează valoarea intensităţii radiaţiei cosmice.

Intensitatea medie a particulelor radiaţiei cosmice pe suprafaţa terestră este de

107 m-2s-1, la înălţimi mai mari este mai ridicată. La nivelul mării radiaţia cosmică reprezintă o

doză anuală de 0,4mSv, valoare ce creşte cu înălţimea, la 100 m cu 0,02 mSv.

Surse importante ale radiaţiei externe sunt radioizotopii străvechi: produşi de

dezintegrare ai toriului, uraniului precum şi 40K. Solul conţine peste tot într-o cantitate mică

toriu, uraniu, radiu. La dezintegrarea acestor elemente apare gazul de radon, care prin

crăpăturile solului scapă în atmosferă. În roci se găsesc şi izotopi radioactivi 40K şi 87Rb.

Organismele vii conţin şi ele izotopi radioactivi, chiar şi noi suntem radioactivi.

Printre elementele indispensabile ale corpului uman se numără hidrogenul, carbonul şi

potasiul. O parte mică a apei din corpul nostru este radioactivă, la fiecare 1018 atom de

hidrogen corespunde un atom de triţiu. Carbonul, elementul de bază al vieţii, are şi el un

izotop radioactiv 14C. Atomul 14C în atmosferă se oxidează în 14CO2 şi se amestecă cu ceilalţi

bioxizi de carbon (2CO2). Prin fotosinteză ajunge în plante şi prin procesele de metabolism


este prezent oriunde există viaţă. Aproape fiecare organ al nostru conţine potasiu şi astfel –

deşi doar un procent mic din potasiu este radioactiv – radioactivitatea noastră proprie în mare

parte rezultă din potasiu.

Radioactivitatea unui corp uman în general este aproximativ 8600 Bq (atâtea nuclee se

dezintegrează în organismul nostru între două bătăi ale inimii). Materia corpului nostru ne

expune la o doză de radiaţie de 0,18 mSv/an.

Componentele radiaţiei de fond sunt radiaţia cosmică, radiaţia din scoarţa terestră,

radiaţia clădirilor, radioactivitatea atmosferei şi radiaţia elementelor radioactive din

organismul nostru.

Media anuală a dozei de radiaţie naturală este 1,5 mSv, doză ce primim de la

mediul nostru natural.

Mai trebuie să ţinem cont şi de doza de radiaţie ce primim de la materiale de construcţie şi

obiectele din jurul nostru.

Clădirile reprezintă pentru noi o doză anală medie de 1mSv, majoritatea datorându-

se radonului (0,6 mSv). Doza primită depinde de conţinutul în uraniu al materialelor de

construcţii, astfel doza poate ajunge la 2mSv în cazul conţinutului ridicat de uraniu.

Anual din partea mediului în total primim o doză de radiţie radioactivă de 2,5

mSv, din care 1mSV provine de la radon.

Fondul natural de radiaţie serveşte drept reper pentru doze provenite din surse

artificiale. În mod normal, dozele primite din alte surse sunt mai mici. De exemplu:

radiografii sau tratamente cu radiaţii (anual 0,5 mSv), zbor cu avionul (înseamnă expunere la

radiaţie cosmică pentru 2 000 km zbor 0,01 mSv), efectul rămăşiţelor experienţelor cu bomba

atomică (0,005 mSv/an), urmările accidentului centralei atomice de la Cernobîl (0,5 mSv timp

de 50 de ani) etc.

IV. 4. Efectul biologic al radiaţiei radioactive

Radiaţia radioactivă are efect biologic nefast. Prin ionizarea provocată de ea, în

moleculele celulelor se rup legături chimice, respectiv au loc reacţii chimice secundare.

Efectul biologic rezultat are mai multe faze:

- faza fizică (apariţia ionizării);

- faza fizico-chimică (apariţia reacţiei chimice);

- faza chimică (desfăşurarea altor procese chimice);


- faza biologică (perturbaţii în funcţionarea celulelor, modificarea ADN-ului,

moartea celulelor);

Fiecare radiaţie radioactivă având capacitate ionizată diferită, va avea alt efect asupra

organismului.

Radiaţia gamma, ca şi radiaţie electromagnetică, produce foarte puţine perechi de ioni

în organismul viu. În cazul fotonului gamma mai degrabă efectul de ionizare al electronilor

secundari (electroni rezultaţi din interacţiunea foton-gamma şi materie) este important.

La fel, efectul ionizant al radiaţiei beta este mic, în consecinţă afectează într-o mică

măsură celulele.

Nucleele atomilor de heliu ale razei alfa au masă mare, se mişcă încet şi ca atare

ionizează des. Radiaţia alfa venită din exterior nu este periculoasă pentru organism căci are

putere de penetrare mică şi practic celulele moarte ale pielii o absorb fără nici un risc. Însă

sursa de radiaţie alfa ajunsă în organism este deosebit de periculoasă, căci particula alfa

cedează practic toată energia ei în interiorul unei celule sub formă de ionizare. Perechile de

ioni formaţi în celulă cauzează modificări ireversibile.

Celulele, ţesuturile din organism pot fi vătămate prin două mecanisme. Conform unui

mecanism – numit „teorie de activare a apei” – radiaţia ionizează moleculele de apă din

organism şi ionii rezultaţi vor determina modificarea celulei. Cealaltă teorie presupune că

procesul se desfăşoară direct, adică chiar în molecula care absoarbe radiaţia se întâmplă

modificarea.

Figura 20. Efectul ionizant al radiaţiei radioactive

Teoria de activare a apei are la bază observaţia că efectul biologic al radiaţiei este

influenţat de cantitatea apei prezente în organism. Sub influenţa radiaţiei radioactive

moleculele de apă se ionizează şi se formează radicali activi, care intră în reacţie chimică cu

moleculele sistemului biologic şi astfel îşi exercită efectul biologic. Radiaţia rupe un electron

de pe molecula de apă şi se formează astfel un ion pozitiv încărcat (H2O+). O moleculă de apă

neutră ia electronul eliberat şi devine ion negativ (H2O-). Ionul pozitiv astfel format se

radiaţia α radiaţia β radiaţia γ


descompune în ion de hidrogen (H+) şi radical de hidroxil (OH•), iar ionul negativ în ion de

hidroxil (OH-) şi în radical de hidrogen (H•). Radicalii liberi– atomi, molecule ce conţin

electroni neîmperecheaţi - astfel formaţi pot intra în diferite reacţii unii cu alţii, produşii

posibili fiind H2O, H2, H2O2, O2. Dintre aceşti produşi cel mai periculos este peroxidul de

hidrogen (H2O) care este un oxidant foarte activ. Acest dizolvant dur distruge activitatea

enzimatică fin reglementată ce are loc în celule vii.

Pentru ca în organism să apară modificări biochimice, trebuie să se depăşească o

valoare de doză sub care nu apar modificări biochimice. Doze mici pot însă provoca daune

biologice. Explicaţia este, că o singură particulă poate deja provoca modificare de exemplu

ADN şi acest efect deja poate fi moştenit. Deci din punctul de vedere al efectului biologic nu

există doză de prag pentru organismul viu.

Diferitele efecte biologice apar în general după o perioadă de incubaţie. Această

perioadă poate fi de câteva minute până la zeci de ani. Sub influenţa unei radieri de 1 Sv

înmulţirea celulelor încetează deja după câteva minute, numărul globulelor roşii începe să

scadă semnificativ după câteva săptămâni însă leucemia de exemplu apare doar după cîteva

decenii în urma iradierii. Organismul se străduieşte să se apere de efectele dăunătoare prin

corectarea greşelilor apărute.

Procesele de apărare pot fi, în funcţie de gradul de afectare; următoarele:

- Radicalii, apăruţi în urma ionizării, pot fi legaţi de aşa numiţii antioxidanţi sau pot fi

descompuşi. Vitaminele A, B, C şi E leagă electronii neîmperecheaţi ai radicalilor liberi

formaţi, astfel scade reactivitatea lor. Unele enzime apără organismul prin descompunerea

peroxidului de hidrogen compuşii care conţin grupa SH (de exemplu proteina cisteină) de

asemenea frânează activitatea radicalilor activi.

- Dacă este lezată chiar spirala dublă a ADN-ului, atunci porneşte o reacţie de apărare

în interiorul celulei. Sub influenţa unei enzime în partea lezată lanţul este marcat. O altă

enzimă reconstruieşte după modelul părţii nevătămate a lanţului bucata vătămată. În fine, o

nouă reacţie de enzimă îndepărtează din ADN partea vătămată şi o înlocuieşte cu cea nouă.

Regenerarea însă nu este perfectă în urma iradierii. Astfel, efectele unor doze noi în organism

într-un fel se adună. Iată nişte efecte biologice în funcţie de mărimea dozei de radiaţie:

- 250 mSv – doza de prag: nu apar consecinţe observabile clinic;

- 5 sS – doza semimortală: sub efectul acestei doze 50% dintre cei indivizii iradiaţi

mor în 30 de zile.

- 101V – doza mortală: sub efectul acestei doze toţi indivizii dintre cei iradiaţi mor

în 30 de zile.


Radiaţiile ionizate nu sunt totdeauna nocive. S-a observat că doze mici au efect pozitiv

asupra funcţionării celulelor. Doze mici, definite stimulează funcţionarea celulelor, fenomen

numit homersis.

O doză mai mică are un astfel de efect asupra celulei în urma căruia sub influenţa unei doze

ulterioare mai mari lezarea celulelor este mai mică decât ar fi fost expuse doar la doza mare.

Dacă sângele uman este iradiat mai întâi cu 0,01Gy şi apoi timp de câteva ore cu 1Gy, efectul

lezării este mult mai mic decât fără iradierea prealabilă. Explicaţia plauzibilă este că radiaţia

în doză mică activează procesele reparatorii şi astfel funcţionarea lor este şi mai eficientă în

cazul dozei mai mari. Acest fenomen îl numim răspuns de acomodare.

Radiaţiile radioactive lezează mai puţin acele celule unde reacţiile biologice sunt mai

lente. De aceea, acele substanţe şi efecte care încetinesc funcţionarea celulelor oferă protecţie,

într-o anumită măsură, faţă de efectele nefaste ale radiaţiei ionizante. Astfel de efect au

alcoolul, respectiv răcirea celulelor (hipotermia).

S-a demonstrat prin experimente pe animale, că sub influenţa radiaţiilor pot apărea

diferite boli de cancer. În Evul Mediu deja s-a constatat, că la oamenii care lucrau în mine

apare o boală, care a fost denumită atunci „boală de mină”.

Agricola (sec. XV) şi Paracelsius (sec. XVI) au scris despre această boală. Ulterior s-a

dovedit, că boala de mină nu era altceva decât cancerul pulmonar provocat în special de aerul

cu conţinut de radon din minele cu conţinut mare de minereu.

IV.5 Radonul

Studiul radonului datează din anii 1400, când Paulus Naivis într-o lecţie de limbă a

formulat că „... cei care lucrează în mine, unde aerul este foarte nesănătos, îşi pierd culoarea şi

mor foarte devreme”.

Cauza cancerului pulmonar s-a considerat mai devreme a fi: arsenul, praful silicogen,

metalele toxice (cobalt, nichel, bismut). După câţiva ani de la descoperirea radioactivităţii în

Saxonia au studiat conţinutul de radioactivitate al surselor. Atunci a reieşit că în apa şi aerul

minelor din Schneeberg concentraţia de radon este foarte ridicată. Legătura între cancerul

pulmonar şi măsurătorile de radon a fost evidenţiată de Ludwig şi Lorenser. Ei au formulat că

respiraţia pe termen lung a aerului conţinând radon provoacă cancer pulmonar. A fost nevoie

de alţi 30 de ani să se constate că nu radonul ci produşii de dezintegrare cu timp de

înjumătăţire scurt, care aderând la aerosoli ajung în plămâni sunt cauza cancerului pulmonar.


În anii 1980 s-a descoperit că radonul din scoarţa terestră se poate îmbogăţi şi în încăperi

închise, în locuinţe. Mai întâi fenomenul a fost studiat în Anglia de Sud , Suedia, Canada, dar

de atunci se fac măsurători şi în multe alte ţări.

Importanţa radonului rezultă din faptul că, fiind gaz nobil, el difuzează uşor din sol,

respectiv din pereţi în atmosferă. De aici, în primul rând prin inspiraţia aerului poate leza

direct organismul uman. Izotopii radonului sunt 22Rn (radon), 219Rn (aktinon), 220Rn (toron) se

găsesc în toate materialele naturale, ei pot ajunge în aer de pe suprafeţele rocilor, solului şi ale

materialelor de construcţie.

Prin ehaltaţia radonului înţelegem plecarea radonului prin suprafaţa terestră în

atmosferă. Marea parte a radiaţiei suportate de populaţie provine din radon. Conform

măsurătorilor în diferite ţări concentraţia medie de 222Rn în clădiri, în spaţii interioare

(nearisite suficient) variază între valorile de câţiva Bq/m3 până la mii de Bq/m3.

După scăparea radonului în aer apar şi produşi de dezintegrare cu timp de înjumătăţire

scurt. Este vorba de radioizotopii poloniului, bizmutului şi ai plumbului (218Po, 214Pb, 214Bi)

care se leagă de particule de praf de obicei, de particule cu diametrul de ordinul

micrometrilor, formându-se astfel aerosol radioactiv.

Din radon rezultă radioizotopi cu radiţii beta şi alfa. Primii patru produşi de

dezintegrare 218Po, 214Po, 214Bi şi 214Po au timp de înjumătăţire mai scurt de 30 minute.

Produsul final al seriei radonului este de fapt 210Po cu timp de înjumătăţire 22,3 ani.

Efectele nefaste asupra sănătăţii sunt produse mai ales de aceşti produşi de

dezintegrare şi nu de radon însuşi. Produşii de dezintegrare din aer se aşează pe suprafeţe,

pereţi, tavane, mobile şi ca atare în aer concentraţia produşilor de dezintegrare este mai mică

decât cea a radonului. Efectul de îmbolnăvire al acestor produşi de dezintegrare apare în

special în urma inhalării lor.

Produşii de dezintegrare absorbiţi pe particule de aerosol – 218Po şi 214Po în primul

rând – se depun pe pereţii bronhiilor de unde bombardează cu particule alfa celulele cele mai

sensibile la radiaţii din stratul de celule al bronhiilor.

Radioactivitatea ajunsă în plămâni depinde de frecvenţa respiraţiei şi de cantitatea de

aer inspirat. La mineri, media este 1,7-1,9 m3/oră, dar la efort poate ajunge la 3 m3/oră (pentru

comparaţie, intensitatea respiraţiei normale este 0,75 m3/oră).

Radonul şi produşii lui de dezintegrare nelegaţi prin plămâni pot ajunge şi în sânge,

respectiv prin el în diferite părţi ale corpului. Radonul ce ajunge prin gură în stomac, nu are

celule ţintă bine determinate. Apele potabile cu conţinut ridicat în radon reprezintă în schimb

o doză de radiaţie bine estimabilă pentru stomac.


IV.6 Concentraţia de radon în mediul uman

Radonul din aer provine preponderent din sol, ca atare conţinutul de radon al spaţiilor

de locuit depinde de calitatea solului, mai precis de conţinutul de uran al solului. Contează

originea solului, structura, umiditatea (zăpada, ploile abundente scad curgerea radonului din

sol). Contează şi distanţa locuinţei de sol. Pivniţa de sub casă scade nivelul de radon din

locuinţă. Se recomandă şi podele groase din materiale sintetice care reprezintă un strat

impermeabil.

În cazul pereţilor este determinant conţinutul de radiu. Radioactivitatea materialelor de

construcţii diferă mult, fiind funcţie de originea materiilor prime.

Valorile medii pentru câteva materiale de construcţii:

- beton: 70-100 µ Sv/an

- cărămidă: 50-100 µ Sv/an

- lemn: 30-50 µ Sv/an

Nivelul de radon al încăperilor prezintă şi variaţii sezoniere: toamna este cel mai

ridicat şi primăvara este cel mai scăzut. Se constată de asemenea variaţii zilnice: în zori

nivelul este cel mai ridicat şi după masă este cel mai scăzut. Cauza este aceea că în timpul

nopţii se adună toată cantitatea de radon în încăpere, iar până după-masă cu aerisirea şi

deschiderea uşilor aerul camerei se schimbă. Prin aerisiri frecvente se poate micşora

considerabil nivelul de radon din încăpere.

Chiar cu ferestre închise (nu termopan!) există un curent de aer natural. Aerul circulă

prin crăpăturile de lângă uşi, ferestre sau de-a lungul circuitelor electrice, conductelor de apă,

gaz, etc. Acest curent de aer este provocat de diferenţa de temperatură şi de vânt. Încălzirea

provoacă o circulaţie ascendentă, acest curent trage aerul din partea de jos a clădirii şi apoi

aerul se adună în jurul tavanului. Aceste efecte duc la diferenţe de presiune între cameră şi

atmosfera din exterior, respectiv între cameră şi sol, care influenţează curgerea spre exterior a

radonului.

Condiţiile de stabilitate atmosferică influenţează de asemenea nivelul radonului în aer.

Pe timp de furtună intensitatea câmpului electric al atmosferei creşte, ca atare scade

concentraţia cationilor rezultaţi din dezintegrarea radonului.

Sursele de radon ale locuinţelor, suprafeţele interioare pot fi următoarele:

- scăparea radonului din solul de sub clădire;

- emisia de radon din materiale de construcţie;

- intrarea radonului din aerul exterior în timpul aerisirii;


- eliberarea radonului din aerul exterior în timpul aerisirii;

- eliberarea radonului din apa de la robinet şi din gazele naturale.

Radonul rezultat din apa din conducte şi din gazul natural este de obicei nesemnificativ. În

peşteri – din cauza lipsei de aerisire – pot apărea concentraţii mari de radon. În tuneluri, pe

culoarele de metro se pot măsura concentraţii mai ridicate de radon.

În mai multe ţări există programe de măsurare a nivelului de radon în casele de locuit. S-a

găsit, că majoritatea caselor au nivelul de radon scăzut, 200-400 Bq·m-3, dar s-au găsit şi

valori de 100 Bq·m-3 în câteva zecimi de sută dintre case. Casele din pământ au concentraţii

mai ridicate, locuinţele de bloc au valoare mai mică decât valoarea medie.

IV.7. Radioactivitatea atmosferei

O parte din substanţele radioactive sunt gazoase, altele sunt în suspensie în aer, lipite

de aerosoli. Substanţele radioactive din aer, după originea lor, se pot clasifica în 2 grupe:

- izotopi radioactivi naturali (ex: 3H, 222Rn);

- substanţe active de origine artificială (ex: 85Kr, 137Cs, 90Sr, 131I).

Din prima categorie fac parte produşii gazoşi ai substanţelor radioactive naturale, care

ajung în aer din sol şi din hidrosferă, precum şi izotopii rezultaţi sub influenţa radiaţiei

cosmice. Din a doua categorie fac parte substanţele radioactive care au ajuns în atmosferă în

urma experienţelor de explozii nucleare, respectiv funcţionării reactoarelor nucleare şi

prelucrării elementelor de combustie arse. Se constată, că radioactivitatea aerului deasupra

uscatului este dublu în comparaţie cu cea măsurată deasupra oceanelor.

De menţionat că în ultimii 30-40 ani a crescut semnificativ concentraţia de 210Pb în

mediul nostru, din două motive. Un motiv este creşterea într-o măsură extraordinară a

utilizării energiei combustibilului fosil. Prin arderea cărbunelui ajung produşii de dezintegrare

ai uranului prin atmosferă în ciclul biologic al elementelor. Al doilea motiv este utilizarea

îngrăşămintelor chimice, ajungând astfel în sol, apoi de acolo în atmosferă o cantitate

semnificativă de izotopi radioactivi.


IV. 8 Radioactivitatea apelor

Substanţele radioactive din ape provin din sol, din roci ce se dizolvă şi ajung în hidrosferă

precum şi din atmosferă, cele produse de raze cosmice. Substanţe radioactive de origine

artificială sunt izotopi emişi în cursul experimentelor de explozii nucleare şi de industria

nucleară. Se ştie, că 70% din suprafaţa Pământului este acoperită de apă şi astfel majoritatea

substanţelor radioactive ajunse, respectiv produse, în atmosferă, ajung direct din aer în apele

de suprafaţă.

Substanţele din stratosferă ajung pe 3 căi pe suprafaţă terestră:

- sedimentare gravitaţională pe timp fără precipitaţii („dry-out”);

- precipitaţii „căzute din nori” („rain-out”);

- „spălare” sub nori („wash-out”).

„Dry-out” înseamnă deci cădere uscată, iar „rain-out” şi „wash-out” cădere umedă.

Prin „fall-out” înţelegem căderea totală, adică cea uscată şi cea umedă.

Între hidrosferă şi atmosferă – precum şi între hidrosferă şi celelalte elemente ale

biosferei migrează încontinuu substanţele radioactive. Radioactivitatea apelor de suprafaţă şi

cea a organismelor vii din ele depinde în afara sursei şi de mulţi alţi factori, de exemplu:

adâncimea apei, posibilitatea amestecării apei. În lacuri se pot îmbogăţi mai bine substanţele

radioactive decât în râurile mereu în mişcare. În mări radioactivitatea este mai scăzută decât în

lacuri, ceea ce pe lângă adâncimea mai mare a mării se explică şi prin amestecarea pe

verticală într-o măsură mult mai semnificativă.

Gradul de poluare a apei depinde şi de raportul suprafaţă/volum, deoarece poluanţii

ajung prin suprafaţă în apă. Compoziţia chimică a apei, cantitatea şi calitatea organismelor vii

din apă de asemenea determină radioactivitatea apei, chiar şi faptul dacă pe suprafaţa

cercetată se practică de exemplu piscicultură. Organismele vii din apă, printre substanţele

minerale din ele, vor conţine şi izotopii radioactivi luaţi din apă. Procesul decurge evident şi

în sens invers, adică prin descompunerea materiei organice în apă, substanţele radioactive se

eliberează din nou acolo.

Radioactivitatea naturală a hidrosferei joacă un rol important în privinţa conţinutului

de potasiu al apelor, ceea ce depinde de mediul geologic, de conţinutul de K, solubil în apă, al

solului şi de alţi factori de exemplu folosirea îngrăşămintelor chimice, apa uzată de

comunitate.


În cazul poluanţilor solizi, cel mai mult contează cât de bine sedimentează, ceea ce

depinde de mărimea particulei şi de diferenţa de densitate. În urma sedimentării substanţele

radioactive pot ajunge în adâncimea mâlului, de unde prin procese mecanice (de exemplu:

inundaţie) şi chimice pot ajunge din nou în apă. Proces chimic este de exemplu schimbarea

compoziţiei chimice în urma reacţiilor chimice anaerobe din mâl, schimbarea pH-ului,

interacţiuni chimice ce se stabilesc în urma apariţiei unor componente poluante noi. În apele

lacurilor nu prea adânci, compoziţia chimică se schimbă într-o măsură mult mai mare decît în

mări.

Caracterizarea radioactivităţii apei – într-o primă aproximaţie, ca dată informativă – se

face de obicei prin „activitatea β-totală”.

Această mărime se determină prin măsurarea radioactivităţii reziduului în urma evaporării

apei. Activitatea β-totală este egală cu suma activităţilor tuturor componentelor nevolatile şi

include pe lîngă radioactivitatea izotopilor naturali şi activitatea 90Sr, 137Cs, care provoacă

contaminare. Valoarea concentraţiei de triţiu este independentă de activitatea β-totală, căci în

urma evaporării apa cu conţinut de 3H s-a îndepărtat şi reziduul nu conţine 3H. Valorile

măsurate sunt ridicate ca urmare a efectului poluant al centralelor nucleare şi al

îngrăşămintelor chimice cu conţinut de K.

Amintim, că activitatea de radon a apelor minerale şi curative poate depăşi cu mult

conţinutul de substanţe active ale apelor de suprafaţă. Apa juvenilă – care n-a participat încă

în ciclul hidrologic – provenită din adâncul Pământului, trecând prin roci cu radioactivitate

ridicată, poate aduce cantitate mare de radioizotopi. Întrucât apele din adâncul Pământului se

găsesc sub presiune, gazul de radon ce se produce continuu nu poate părăsi apa şi astfel

activitatea de radon se poate ridica la o valoare foarte mare. Se cunosc multe staţiuni balneare,

unde radioactivitatea apei este ridicată. Fără îndoială, este un fapt dovedit prin experienţă

îndelungată, că anumite boli se tratează cu succes prin băi cu apă radioactivă. Dar tot

experienţa arată, că efectul benefic nu se datorează radioactivităţii, ci altor factori. Sărurile

minerale din apă, aerul curat al peşterilor, conţinutul de vapori de apă ridicat, temepratura

uniformă sunt de fapt factorii care au efectul curativ. Se ştie de asemenea, că norul de sarcini

electrice negative în jurul corpului uman are un efect stimulant asupra organismului. Astfel de

nor electronic stimulant se poate forma în peşterile cu ape radioactive, în urma efectului de

ionizare al radiaţiei radioactive, adică în mod indirect şi substanţele radioactive contribuie la

efectul favorabil al acestor locuri.


IV.9. Radioactivitatea solului

Nivelul de radioactivitate naturală al solurilor depinde de condiţiile geologice, de

agricultură – din cauza folosirii îngrăşămintelor chimice, irigaţiilor – precum şi de parametrii

meteorologici şi de mediu.

În roci, minereuri se găsesc radioizotopii principali 40K, 238U, 235U, 232Th precum şi

produşii lor de dezintegrare. Dintre minereuri evident radioactivitate maximă au cele ce conţin

uraniu şi toriu (uraninita, torbernita, etc.) valoare ridicată au şi magnetita, apatita, muscovita.

Cuarţul este slab radioactiv, iar granitul şi mai slab.

Izotopul 40K este responsabil în mare parte pentru radioactivitatea naturală a solurilor.

Acest izotop radiază raze de beta şi gamma, se găseşte în potasiul natural în proporţie

0,0119%. Conţinutul mediu de K al solurilor este 1-2%, dar poate ajunge la 3-4% din cauza

rocilor de granit. Activitatea solului creşte în urma folosirii îngrăşămintelor cu potasiu.

În soluri se găseşte şi rubidiu, cu proprietăţi asemănătoare ale potasiului, iar 27,85%

din rubidiul natural este izotopul radioactiv 87Rb. Activitatea de Rb a solurilor este cu câteva

ordine de mărime mai mică decât activitatea de 40K.

În sol se găseşte şi radon, din cauza conţinutului de uraniu şi toriu. Conţinutul de

radon în straturile superioare ale solului variază, printre altele, în funcţie de anotimp, respectiv

de temperatură. Concentraţia maximă este vara, cea minimă este iarna. Vara gazele curg spre

sol (din cauza condiţiilor de temperatură) şi astfel radonul rămâne blocat în sol, de aceea în

straturile superficiale se măsoară valori ridicate. Iarna, zăpada împiedică ieşirea radonului. În

solul ud se închid porii şi crăpăturile solului prin care radonul putea scăpa la suprafaţă. Ca

atare, după ploi abundente creşte concentraţia radonului în sol. Şi presiunea crescândă ridică

concentraţia radonului în sol. Şi presiunea crescândă ridică concentraţia radonului (deoarece

în astfel de situaţie aerul curge înspre sol). În condiţiile de vânt puternic însă – din cauza

efectului aspirant al curgerii aerului scade nivelul de radon.

Din punctul de vedere al poluării radioactive a solului şi relieful este important, în

primul rând din cauza scurgerii apei pe versanţi şi a proceselor de eroziune. Acolo unde aceste

procese „distrug” solul, din cauza transportului straturilor superficiale scade mărimea

radioactivităţii, iar în văi creşte. Impermeabilitatea solului are influenţă asupra concentrării

poluării pe o anumită suprafaţă.

Muncile agricole, prin amestecarea straturilor contribuie la uniformizarea poluării.

Capitolul V. Producerea energiei pentru uzul uman


V.1. Generalităţi

Este deosebit de important pentru schimbarea mediului nostru producerea şi consumul

de energie pentru uzul uman. Aceste procese necesită cantităţi imense de materii prime, care

se obţin din mine, se transformă şi chiar reziduurile rămase necesită manipulări. Procesul de

producere are efecte asupra mediului, poluarea apare în fiecare etapă, ceea ce duce la

încălzirea globală. De aceea este nevoie să fim în clar cu situaţia energetică a lumii.

Consumul de energie diferă mult de la o ţară la alta. Este interesant, de exemplu, că în

anii 1970 în ţările unde trăiau 72% din populaţia globului, consumul era o treime din cel al

ţărilor dezvoltate, unde trăiau doar 6% din populaţia lumii. Consumul de energie al unei ţări

depinde în primul rând de gradul de dezvoltare, situaţia economică-geografică, care determină

şi repartizarea energiei în cadrul unor ramuri (industrie, agricultură, transport).

O dată cu creşterea economică un loc mai important are comerţul, condiţiile de viaţă

mai confortabile, care vor avea ca atare un procent mai mare de consum de energie. În

societatea bazată pe vânătoare doar producţia hranei necesită consum de energie; în societatea

bazată pe agricultură producţia hranei şi cam în egală măsură gospodăria – comerţul însemna

consum de energie. În Evul Mediu deja industria, agricultura şi chiar transportul necesitau

energie. În 1985 în S.U.A producţia de alimente reprezenta doar 4,3% din consumul de

energie, iar de exemplu transportul şi mass-media beneficiau deja de 27,4%.

Politica energetică din UE este stipulată în aşa numita Carte Albă, care prevede

competitivitatea, aprovizionarea cu siguranţă şi protecţia mediului.

Dezvoltarea tehnologică contribuie la îmbunătăţirea randamentului energetic, acces mai uşor

la purtători de energie şi reducerea poluării mediului. Întrucât societăţile energetice nu sunt

neapărat interesate în aceste probleme, ele trebuie stimulate şi guvernul să sprijine cercetarea

şi dezvoltarea. Anual se prevede o creştere de 1,6-2% în energie totală produsă, locul ţiţeiului

fiind preluat de gaze naturale.

Consumul de energie în creştere continuă are efect nefast asupra mediului nostru

global. Arderea cărbunelui şi ţiţeiului determină ploi acide, iar creşterea concentraţiei de

bioxid de carbon are drept consecinţă efectul de seră. Fisiunea nucleară produce deşeuri

radioactive cu timp de înjumătăţire lung. În urma poluării mediului ne putem aştepta la

producerea schimbărilor de climă pe Pământ într-un timp relativ scurt.


Pentru a micşora toate aceste efecte este nevoie de răspândirea unor surse de energie noi,

protejând mediul, respectiv de utilizarea cu un randament mai mare a surselor de energie

existente (posibil prin dezvoltarea tehnologiei de prelucrare).

Ţiţeiul, cărbunele şi gazul natural asigură preponderent energia pentru uzul uman. Se

mai folosesc energie nucleară, cea solară (din ce în ce mai mult), eoliană şi energia

geotermală.

Piaţa energiei este dominată de ţiţei, ale cărui rezerve cunoscute într-un procent de

75% aparţin ţărilor OPEC. Acest fapt înseamnă dependenţa lumii de ţiţeiul din Orientul

apropiat. Căldura specifică a ţiţeiului este de 40 MJ/kg, din care jumătate se poate transforma

în energie electrică. Conform estimărilor rezerva de ţiţei pe Pământ ajunge încă pentru 45 de

ani.

Rezerva de cărbune a Pământului se estimează la 950 miliarde tone, care este

suficientă pentru încă aproximativ de 275 ani. Cărbunele nu este un combustibil prea curat:

mineritul lui distruge pământurile, prin arderea lui ajung în atmosferă o cantitate mare de

bioxid de carbon şi alţi poluanţi. Prin limitarea utilizării cărbunelui se pot micşora daunele

provocate mediului sau prin găsirea unor tehnologii prin care arderea cărbunelui să se facă cu

randament mai bun sau să se transforme într-un alt carburant.

Prin utilizarea diferitelor filtre se poate micşora cantitatea poluanţilor, în special a

bioxidului de carbon. Centralele termice pe bază de cărbune, emit şi poluanţi radioactivi.

Anume, 1 kg de cărbune conţine în medie 10-6 kg uraniu, mai conţine şi izotopul 40K şi toriu,

de aceea zgura şi PERNYE sunt puternic radioactive. Cărbunele de pământ (huila) are căldură

specifică de 25-30 MJ/kg, dar în multe centrale termice se utilizează cărbune de calitate

Rezerva de cărbune a Pământului se estimează la 950 miliarde tone, care este suficientă

pentru încă aproximativ 275 ani. Cărbunele nu este un combustibil prea curat: mineritul lui

distruge pământurile, prin arderea lui ajunge în atmosferă o cantitate mare de bioxid de

carbon şi alţi poluanţi. Prin limitarea utilizării cărbunelui se pot micşora daunele provocate

mediului sau prin găsirea unor tehnologii prin care arderea cărbunelui să se facă cu randament

mai bun sau să se transforme într-un alt carburant. Prin utilizarea diferitelor filtre se poate

micşora cantitatea poluanţilor, în special a bioxidului de carbon. Centralele termice pe bază de

cărbune emit şi poluanţi radioactivi. Anume, 1kg de cărbune conţine în medie 10-6 kg uraniu,

mai conţine şi izotopul 40K şi toriu, de aceea zgura şi cenuşa sunt puternic radioactive.

Cărbunele de pământ (huila) are căldura specifică de 25-37 MJ/kg, dar în multe centrale

termice se utilizează cărbune de calitate mai scăzută, având căldură specifică mult mai mică.


Gazele naturale au multe proprietăţi favorabile: ardere completă, randament bun cu

multiple utilizări. Prin arderea gazului în atmosferă ajunge mult mai puţin bioxid de carbon şi

alţi poluanţi decât în cazul oricărui alt combustibil fosil. Căldura specifică a gazului este 40-

120 MJ/kg. Actualmente mai există o rezervă de gaze suficientă pentru 65 de ani, care de

asemenea este proprietatea câtorva ţări.

S-au făcut cercetări pentru a folosi alte surse de energie decât cele fosile. Mulţi preferă

energia nucleară, fiind mai puţin poluantă. Alţii însă se tem de această utilizare, punând şi

problema deşeurilor radioactive în discuţie.

Utilizarea energiei solare câştigă din ce în ce mai mult teren. Costurile folosirii acestei

forme de unde se reduc în continuu şi există deja ţări unde o pură parte din cerinţele

energetice sunt satisfăcute prin celule solare.

Folosirea energiei hidraulice cere o investiţie mare şi tehnologie avansată.

Biomasa pe bază de lemn şi substanţe organice se folosesc ca surse de energie, dar

prin prelucrare se pot obţine surse de energie mai mobile, de exemplu metan sau alcool etilic.

Şi la arderea biomasei, atmosfera este poluată cu bioxid de carbon. Spre binele mediului ar

trebui ca vegetaţia pierdută să fie replantată.

Energie eoliană aparţine categoriei de sursă de energie prietenoasă cu mediul. Pentru

ca să fie o sursă corespunzătoare de energie este nevoie de un sistem care să funcţioneze

corect pentru orice viteză a rotorului maşinii eoliene.

Producţia energiei geotermice oferă de asemenea posibilităţi noi, prin care se poate

utiliza de exemplu căldura rocilor fierbinţi subterane.

Din punct de vedere al protecţiei mediului cele mai bune surse de energie sunt aşa-

numitele surse reînnoibile, adică folosirea energiilor solare, eoliene şi geotermice. Utilizarea

acestora însă are şi dezavantaje, cum ar fi:

- investiţie mare;

- caracterul sezonier al energiei (de exemplu energia solară);

- nevoia surselor de energie complementare;

- dependenţa de locul geografic;

- efectul negativ asupra mediului exercitat la construirea lor (de exemplu unele

forme ale energiei hidraulice)


0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

titei

ech

ival

ent i

n to

ne

1973 1990 2000 2010 2020

titei gaz natural carbune energie nucleara energie reinnoibila

Figura 21. Estimarea necesarului de energie al lumii

(1 miliard tone de ţiţei echivalent=1010 GJ)

V.2. Centrale electrice pe bază de cărbune

Ele au fost primele care au produs energie electrică. Au avantajul că rezerva de

cărbune a lumii este mult mai mare în comparaţie cu ţiţeiul şi gaze naturale. Dezavantajul lor

este că poluează mult mediul, se pune şi problema transportului, cauzează ploi acide şi efect

de seră.

Deoarece după anii 1960 ţările au început să pună accent pe protecţia mediului,

costurile de amplasare ale centralelor pe bază de cărbune au crescut mult. Dezvoltarea

tehnologică a oferit însă perspective pentru centralele electrice pe bază de cărbune.

Etapele principale ale formării cărbunelui sunt: sedimentarea substanţelor vegetale

moarte, urmată de transformarea acestora la suprafaţă – rezultatul fiind turba – apoi în

decursul aşa numitei carbonificări, turba se transformă în lignit, cărbune maro, cărbune negru

şi apoi antracit. Carbonificarea are loc în scoarţa terestră la presiune şi temperatură mai mare.


Conţinut în

cărbune (%)

Căldura de ardere

(MJ/kg)

Turba 55-65 6.3-7.5

Lignit 60-65 7.0-8.4

Cărbune maro 65-80 5.4-24

Cărbune negru 80-93 24-32

Antracit 93-98 35-37.5

Figura 22. Etapele carbinificării

În cursul carbonificării scade conţinutul de hidrogen şi de oxigen; la plante avea

valoarea în jur de 6, respectiv 44%, la antracit abia ajunge la 2% respectiv 4%. Cărbunele

mineral pe lângă hidrogen şi oxigen poate conţine şi alte substanţe combustibile şi

necombustibile, de exemplu poate avea un conţinut ridicat de potasiu sau uraniu.

Centralele obişnuite pe bază de cărbune au următorul principiu de funcţionare.

Huila se arde într-un cuptor, care are în pereţii interiori ţevi, cu apă, ce se transformă

în vapori. Cărbunele este fin mărunţit, apoi suflat în cuptor, astfel el arde cu un randament la

fel de ridicat ca şi gazele de combustie. Un cuptor obişnuit foloseşte 440 de tone praf de

cărbune pe oră pentru a produce 3 00 0 t de vapori. Aceasta este necesar pentru producerea a

1000 MWh energie electrică. Vaporii, înainte de a roti turbina de mare presiune, sunt trecuţi

printr-un supraîncălzitor unde îi creşte presiunea şi temperatura. Axa turbinei în rotaţie

furnizează acea energie mecanică care se va transforma în generator în energie electrică.

Pentru creşterea randamentului total, al transformării energiei, vaporii care părăsesc turbina

sunt reîncălziţi şi conduşi înapoi să pună în mişcare încă una sau două turbine mai mici. Doar

după aceea sunt răciţi şi apa astfel rezultată este pompată înapoi în cazan, unde procesul

începe de la capăt.

Centralele termice au nevoie pe lângă cazane, condensatoare, generatoare şi de sisteme

complicate de răcire şi de strângere a deşeurilor. Echipamentele centralei trebuie să

funcţioneze bine cel puţin timp de 40 de ani. Randamentul transformării energiei termice în

energie electrică la începutul secolului XX era de 5%, până în anii 1967 a crescut la 40% şi de

atunci sistemul creşterii este foarte lent.


Bugetul centralelor termice a fost deosebit de afectat mai ales din cauza măsurilor

luate în vederea manipulării corespunzătoare ale deşeurilor gazoase, lichide şi solide. În acest

sens investiţie cea mai mare şi cea mai performantă este sistemul de eliminare a sulfului din

fum. Acesta îndepărtează poluanţii periculoşi, oxizii de sulf rezultaţi în urma arderii lignitului.

Neutralizarea are loc după principiul spălării umede a gazului, esenţa procedurii fiind

stropirea fumului cu lapte de var, care absoarbe oxizii de sulf ai fumului. Apoi sub formă de

sulfit de calciu sau sulfat de calciu precipită din soluţie. Există şi alte procedee, mai scumpe,

prin care precipitaţia se poate transforma în acid sulfuric sau sulf. După 1978 s-a pretins

centralelor termice nou construite să fie prevăzute cu sisteme de epurare a gazelor din fum.

Spălătoriile de gaze produc mult mâl (deşeu) care trebuie pus în gropi sau bazine de

depozitate. Pentru a reduce cheltuielile, unităţile de producere a curentului electric au fost

dotate cu module mai mici, li s-a îmbunătăţit randamentul şi durata de viaţă. Azi nu se mai

consideră centrale învechite nici cele care funcţionează de trei decenii.

Calitatea lignitului este un parametru important privind transportul, manipularea şi

depozitarea cenuşii. Calitatea mai proastă a lignitului nu înseamnă neapărat şi mai ieftin, căci

cheltuielile de transport şi de depozitare a cenuşii costă mai mult.

Compoziţia lignitului de proastă calitate este mult mai variabilă ceea ce îngreunează

funcţionarea sistemelor centralei la randament maxim. Există centrale care pot îmbunătăţi sau

cel puţin să menţină la nivel constant calitatea lignitului. Acesta este posibil prin eliminarea,

înaintea arderii, a unor substanţe poluante. Procesul se desfăşoară în modul următor: lignitul

foarte poluat este măcinat, apoi minereurile poluante se izolează, pe baza diferitelor

proprietăţi fizice.

În prezent se fac cercetări privind dezvoltarea mai multor procedee moderne. Cele mai

promiţătoare sunt următoarele două: arderea în pat fluidizat şi transformarea lignitului în gaz.

Într-un cuptor de ardere cu „pat fluidizat” lignitul mărunţit împreună cu bucăţi de piatră de

var (calcar) se „fluidizează” adică se adaugă într-un curent de aer puternic, ascendent. Astfel,

părţile solide „fluidizate” se comportă ca şi cum ar fi într-un lichid în fierbere, adică se

amestecă prin vârtej, ceea ce duce la o ardere cu un randament ridicat. În cuptorul cu „pat

fluidizat” suprafaţa de schimb de căldură a tuburilor este mai mare, ceea ce permite ca acest

cazan să lucreze la temperatură mai scăzută faţă de cuptoarele tradiţionale. În cuptoarele

tradiţionale temperatura este de 16500C, iar în cele cu „pat fluidizat” este doar de 790-8700C.

Alt avantaj este că 90% din sulful rezultat prin arderea lignitului este extras de calcar. Deci

arderea în „pat fluidizat” reţine substanţele poluante rezultate la arderea lignitului acolo unde

s-au format (în cuptor). Această nouă metodă de producere a energiei este mai puţin sensibilă


şi la schimbările de calitate ale lignitului, în plus nu se formează nici cenuşă topită, căci

lignitul arde la temperatură sub temperatura de topire a cenuşei. Deci s-a rezolvat şi problema

ce reprezenta cenuşa topită; atacarea suprafeţelor de schimb de căldură. Tot mulţumită

temperaturii mai scăzute, în cursul procedurii de pat fluidizat nu se formează oxizi de azot din

azotul aerului în centrale sub efectul temperaturii ridicate.

O altă procedură, care într-o formă mai simplă deja în secolul al XIX-lea s-a utilizat,

producerea din lignit a unui gaz care arde fără poluare. În procesul de gazificare a lignitului,

cărbunele este încălzit la 11000C în prezenţa oxigenului şi vaporilor de apă, sub influenţa

aceasta formându-se bioxid de carbon, monoxid de carbon, oxizi de sulf şi hidrocarburi (etan,

metan). Acest gaz este potrivit atât pentru iluminat cît şi pentru încălzire. Această procedură

de gazificare a lignitului are avantajul că se produce un gaz care arde atât de curat încât nu

este nevoie de spălarea produşilor de ardere. În plus, produşii de ardere fierbinţi ai lignitului

pot roti direct turbina, aceasta numindu-se turbină de gaz. Gazul fierbinte după rotirea turbinei

încă se poate folosi la fierberea apei şi cu vaporii rezultaţi altă turbină poate fi pusă în

mişcare. Acest sistem de turbină cu gaz legată cu turbină de vapori se numeşte ciclu

combinat, care are un randament mai ridicat şi consum de apă mai scăzut decât centralele

tradiţionale. Procedura de mai sus nu este mai poluantă decât centralele pe bază de gaz

natural. Conţinutul în bioxid de sulf al fumului de gaz este sub nivelul prescris graţie unui

sistem de extragere a sulfului. Formarea oxidului de azot este prevenită prin ridicarea

umidităţii gazului înainte de ardere, scăzându-i astfel căldura de ardere.

Centralele pe bază de cărbune sunt puternic poluante. O centrală modernă de 1000

MW consumă pe oră 440 t cărbune şi 680 t oxigen. O astfel de centrală produce pe oră 1200 t

bioxid de carbon, 1 t bioxid de azot şi 30 t bioxid de sulf, 0.1 t de substanţe organice şi chiar

mai multe tone praf, cenuşă, zgură, care conţin şi metale grele periculoase.

Centralele pe bază de cărbune emit şi multe substanţe radioactive, căci lignitul însuşi

conţine astfel de substanţe, care se vor concentra în cenuşă şi zgură şi ajungând la 30-80 de

ori valoarea radioactivităţii medii a solului (câteva sute sau mii de Bq/kg) . O centrală pe bază

de cărbune de 1 MW într-un an produce praf cu activitate mai mare ca 100 MBq, în timp ce

această valoare în cazul centralelor nucleare este doar de 0,3 MBq. Deci, din acest punct de

vedere poluarea centralei pe bază de cărbune este mai periculoasă decât cea a centralei

nucleare.

În cazul utilizării zgurii, cenuşii în industria materialelor de construcţii, trebuie

determinat aşa numitul index gamma cu ajutorul concentraţiei de 40K, 226Ra şi 232Th. Acest


index trebuie să fie mic, în caz contrar este interzisă utilizarea acestor reziduuri în industria

construcţiilor.

V.3. Centrale termice cu gaz şi ţiţei

Ţiţeiul şi gazul natural s-au format în straturile mai adânci ale Pământului prin

descompunerea materialelor organice. Numim ţiţei combinaţia de carbon lichid, de origine

naturală, care constă mai ales din hidrocarburi precum şi din compuşi organici cu conţinut de

oxigen, sulf şi azot. În cursul prelucrării ţiţeiului este mai întâi curăţat şi stabilizat. În acest

scop ţiţeiul este degazat, sunt îndepărtate componentele cu punct de fierbere scăzut (metan,

etan, propan), apoi uscat şi se îndepărtează poluanţii minerali. Urmează distilarea, prin care se

separă vaporii cu diferite puncte de fierbere. Centralele folosesc mai ales reziduul după

producerea benzinei, care conţine mai mulţi poluanţi, inclusiv metale grele. Acest combustibil

poate avea 2-3% sulf, deci este obligatoriu încorporarea unui sistem de desulfizare a gazului

(fum). O centrală foloseşte 0,2 milioane tone de ţiţei pentru a produce 1000MWh energie

electrică.

Gazul natural este totalitatea hidrocarburilor gazoase de origine naturale. Componenta

principală este metanul, dar conţine şi alte hidrocarburi cu număr ridicat de atomi de carbon

(etan, propan, butan, gazolină). În gazul natural se mai găsesc într-un raport variabil şi gaze

poluante, de exemplu bioxid de carbon, hidrură de sulf, azot, heliu etc. Aproximativ o treime

din cantitatea totală de gaz natural se găseşte împreună cu ţiţei, ceea ce rezultă din asemănarea

formării lor. În cursul pregătirii gazului, din gazul natural extras din pămînt se pot separa prin

procedee corespunzătoare propanul, butanul şi gazolina., materii prime pentru industria

chimică, respectiv cum propanul şi butanul se transformă la presiune relativ mică în stare

lichidă, ei sunt carburanţi buni, se pot îmbutelia. O centrală foloseşte 0,2 milioane m3 gaz

pentru a produce 1000 MWh energie electrică.

Dintre sursele de energie fosile, gazul natural poate fi privit cel mai puţin poluant

pentru mediu, căci este un combustibil curat, cu putere calorică mare, arzând fără cenuşă şi

zgură. Randamentul unei centrale tradiţionale pe bază de cărbune sau ţiţei este de 35-40%, dar

centralele cu ciclu combinat care se utilizează în zilele noastre ajung la randament de 60%.

Rezultatele acestor centrale combinate sunt şi mai spectaculoase dacă sunt folosite în aşa

numita producere de energie în cascadă adică gazele fierbinţi se folosesc pe lângă producerea

energiei electrice şi pentru consumul de căldură industrial şi menajer.


Gazul natural, datorită conţinutului scăzut de sulf şi praf, poluează mult mai puţin

aerul în comparaţie cu cărbune şi ţiţei. La utilizarea gazului natural în centrale cu ciclu

combinat în cursul arderii nu se formează sulf deloc, scade şi emisia de CO2. Explicaţia este,

că emisia unui combustibil este cu atât mai mică cu cît raportul de atomi H/C, calculat pentru

unitatea de energie, este mai mare. În cazul cărbunelui acest raport poate fi considerat 1. La

ţiţei, din formula generală a hidrocarburilor (CnH2n+2) rezultă 2/1, iar la gazul natural

(calculând în metan) raportul este 4/1. Aceasta înseamnă că în cazul arderii gazului natural se

formează bioxid de carbon cu 40% mai puţin decât în cazul cărbunelui , respectiv 20% mai

puţin decât în cazul ţiţeiului.

Cu cel de-al treilea principal poluant – oxid de azot – există probleme şi în cazul

gazului natural. Cum s-a amintit deja, oxizii de azot se formează şi din aer în cursul arderii,

din cauza temperaturii ridicate. Folosirea aşa numitelor „turbine cu gaz cu recuperare

chimică” diminuează considerabil NO şi CO2.

Gazul natural poate avea un conţinut ridicat de radon, ceea ce determină în medie o

activitate specifică de 500-1000 Bqm-3. (Gazul natural de la Tîrgu-Mureş are 15 000 Bqm-3).

În cazul arderii, radonul din gazul natural pătrunde în locuinţe, deci poate fi observată o

creştere a nivelului de radon pe aceste suprafeţe. În cazul arderii, radonul din gazul natural

pătrunde în locuinţe, deci poate fi observată o creştere a nivelului de radon pe aceste

suprafeţe.

Transportul – utilizînd carburanţi fosili, reprezintă cel mai important poluant al

mediului pe lîngă centralele electrice amintite mai sus. Deosebirea esenţială este că centralele

sunt poluanţi locali, iar mijloacele de transport sunt factori de emisie în mişcare. Situaţia cea

mai gravă este în oraşe mai mari, mai ales în centrele lor aglomerate.

In SUA s-a constatat prima dată că emisia automobilelor strică foarte mult calitatea

aerului. Aici mai exact în California, în 1972 s-au introdus primele restricţii privitoare la

motoarele Otto. Producătorii de automobile încearcă prin transformări constructive să se

conformeze prescripţiilor şi valorilor maxi admise care devin din ce în ce mai restrictive.

Gazele de eşapament ale motoarelor conţin foarte multe substanţe, aproape 200 diferite

componente pot fi izolate. Azotul, oxigenul şi vaporii de apă nu sunt poluante pentru

atmosferă, însă sunt bioxidul de carbon şi monoxidul de carbon – responsabilii pentru efectul

de seră – oxizii de azot puternic otrăvitori, hidrocaburi parţial arse (printre ele, de exemplu

benzipirenul, benzolul s-au dovedit a fi cancerigeni), hidrocarburi nearse, respectiv bioxidul

de sulf, responsabil de acidularea mediului. Prin interzicerea folosirii benzinei cu plumb, spre


norocul nostru, se opreşte emisia compuşilor de plumb care sunt de asemenea foarte dăunători

pentru sănătate.

Satisfacerea prescripţiilor din ce în ce mai severe privind protecţia mediului îl obligă

pe producătorii de automobile la o continuă dezvoltare. Limitele prescrise pentru protecţia

mediului pot fi respectate mai uşor dacă se foloseşte drept combustibil în raport cît mai redus

produs de ţiţei. Astfel au apărut motoarele Diesel cu gaz, Diesel-electric cu carburant parţial

respectiv total gaz. Apar din ce în ce mai multe automobile electrice, cu combustibil hidrogen,

cu celulă de combustibil, aşa numitele „automobile cu emisie zero”.

Tipurile principale de automobile cu combustibil gazol, sunt motoarele LPG, LNG,

CNG. Combustibil motorului LPG (Liquefied Petroleum Gasolin) este din gaz natural

lichefiat la presiune mică. Are avantajul că poate fi depozitat la presiune de 40 de bari şi

staţiile de alimentare necesare se pot realiza relativ ieftin. Combustibilul motoarelor cu gaz

natural poate fi LNG (Liquefied Natural Gas). Primul este gazul natural lichefiat, iar cel din

urmă gazul natural comprimat. Depozitarea LNG-ului este posibilă la temperatură sub

1620C, iar a CNG-ului la presiunea de 200 bar. Aceasta îngreunează bineînţeles utilizarea

drept combustibil. Totuşi în cazul autobuzelor şi camioanelor acest combustibil este foarte

avantajos, mai ales din motive de protecţia mediului. Şi anume, emisia de oxid de azot este cu

50-60% mai mică faţă de cazurile tradiţionale, nu există fum, negru de fum, sulf. Aldehidă şi

emisia particulelor solide poate fi redusă la o treime. Timpul de viaţă al motorului este mai

mare, căci tocirea şi coroziunea sunt mai mici. Funcţionarea motorului este mai silenţioasă,

poluarea cu zgomot scade şi funcţionarea este mai sigură.

V.4. Energia geotermică

De la suprafaţa terestră, în direcţia razei spre centru Pământului, temperatura se ridică

în medie cu 300C pe kilometru, dar pe anumite porţiuni această valoare poate fi şi mai mare.

Energia geotermică, ce rezultă din căldura rocilor, poate fi adusă la suprafaţă prin forări, dar

mai des se face prin intermediul vaporilor sau al apei termale. Unde erup vaporii, se poate

produce energie electrică, aceste situaţii apar în Islanda, Noua Zeelandă şi SUA. Temperatura

medie a apelor termale este în general 30-1000C.

Energie geotermică, ca şi energia solară, este nelimitată, nu se epuizează, vine în

continuu şi poate fi extrasă relativ ieftin. Sub formă de apă termală ea nu este totdeauna

inepuizabilă exceptând cazul în care după extragerea energiei termice se face şi realimentarea


ei. Apele termale conţin săruri într-o măsură mai mică sau mai mare şi astfel prin scurgerea

lor scad calitatea solului şi a apei freatice, însă au avantajul – faţă de multe ape subterane – că

nu conţin poluanţi rezultate din activităţi industriale sau menajere.

Folosirea energiei geotermice implică următoarele faze: apa eruptă din izvorul termal

este degajată, sedimentată – îndepărtând astfel o parte din conţinutul de săruri – apoi apa este

pompată la locul de utilizare. Apa răcită este devărsată într-un bazin sau într-un curent de apă.

Aceste sisteme sunt simple, funcţionează în siguranţă, pot fi realizate cu investiţii mici şi

funcţionarea este relativ ieftină. Problema lor este însă – în lipsa realimentării cu apă - că

debitul de apă scade în timp. Scăderea debitului de apă este considerabilă în locurile unde sunt

în funcţiune şi pompe de ţiţei sau de gaze naturale sau unde există mai multe izvoare termale.

Presiunea de apă scăzută poate fi mărită cu compresor, dar este o procedură cu randament

mic, neeconomic. Sunt mai potrivite în acest scop „pompele tip scafandru” care au un

randament bun (50-55%), lucrează fără pericole şi compensează scăderea presiunii prin

coborâre la adâncime mai mare şi care împiedică şi depunerea calcarului. Soluţia cea mai

bună însă este ca apa folosită, răcită, să fie reintrodusă, ceea ce temperează mult scăderea

debitului şi prelungeşte mult viaţa a izvoarelor. Procedurile moderne prevăd cedarea energiei

termice a apei termale prin intermediul unui schimbător de căldură apei normale. Apa răcită

se presează înapoi printr-un alt puţ sau după desalinizare poate fi folosită la irigaţii sau chiar

pentru răcire (în acest caz se poate folosi apoi cantitatea de căldură secundară).

Dezavantajul mare al apei termale este conţinutul ridicat în săruri care poate depăşi şi

8 000 mg/litru. 60-80% din săruri sunt hidrogencarbonaţi de Na, Ca, Mg, care sunt în soluţie

şi datorită bioxidului de carbon sub presiune. În izvoarele termale, presiunea şi temperatura

pot scădea atât de mult spre suprafaţa terestră, că o parte din hidrogencarbonaţii din soluţie

precipită şi se depune pe ţevi. Dacă apa termală conţine şi nisip sau alte aluviuni, depunerile

în ţevi pot fi periculoase, trebuie îndepărtate (prin metode chimice), randamentul scade.

V.5. Energia solară şi utilizarea ei

V.5.1. Structura Soarelui

Soarele are aproximativ 80% hidrogen şi 20% heliu, restul elementelor fiind prezente în urme.

Temperatura suprafeţei este 5800 K, iar cea centrată în jur de 10-20 milioane K. Viteza de

rotaţie a Soarelui este diferită la Ecuator şi la poli, perioada rotaţiei este de 25 de zile la


Ecuator şi la poli 30 de zile. Acestei diferenţe de rotaţie – printre altele – se datorează

variaţiile locale puternice ale intensităţii câmpului magnetic solar.

Suprafaţa Soarelui nu poate fi descrisă exact, căci Soarele este în stare de plasmă. 90%

din radiaţia solară soseşte din aşa-numita fotosferă, pe care o considerăm drept suprafaţa

Soarelui, deşi grosimea de 400 km a acestui strat este foarte mică în comparaţie cu diametrul

Soarelui de 1,4 milioane km. Fotosfera şi regiunile deasupra ei se numesc atmosfera Soarelui,

iar regiunea sub ea se numeşte interiorul Soarelui.

Interiorul Soarelui poate fi împărţit în trei părţi: nucleul central, zona de radiaţie

Rontgen şi zona convectivă. Producerea energiei solare are loc în nucleul central, atomii de

hidrogen fuzionând în nuclee de heliu prin care se eliberează energie considerabilă. În Soare

în fiecare secundă se transformă 6 milioane tone de hidrogen în heliu, ceea ce înseamnă

eliberarea a 261086.3 ⋅ J de energie. În 5 miliarde de ani prin fuziune s-a consumat 5% din

masa actuală a Soarelui, deci conform estimărilor, Soarele mai poate radia cu intensitate

neschimbată încă 10 miliarde de ani.

Zona de radiaţie Rontgen este importantă din punctul de vedere al transmiterii

energiei. Cum rezultă şi din nume, aici energie apare mai ales sub formă de radiaţie Rontgen.

În zona convectivă cedarea de energie are loc sub formă de curent de căldură.

Atmosfera Soarelui este formată din fotosferă, cronosferă şi coroană. Fotosfera are o

structură granuloasă. „Granulele” sunt noduri de gaz, cu 200-300 K mai calde decât mediul

lor şi se află într-o curgere continuă. Formaţiunile cela mai frapante sunt petele solare. Aceste

pete apar acolo în fotosferă unde creşte intensitatea câmpului magnetic şi drept urmare apare

o scădere de temperatură de 1500 K. Pata poate fi împărţită în două părţi bine separate: partea

interioară mai închisă, numită umbră şi partea mai puţin închisă ce o înconjoară, penumbră.

Intensitatea de radiaţie mai scăzută este rezultatul temperaturii mai coborâte. O pată solară

singulară are un diametru de aproximativ 1 000 km, durata de viaţă 1 săptămână, dar deseori

petele se grupează, atingând diametrul chiar de 100 000 km. Acoperirea Soarelui cu pete se

schimbă periodic, între două minime – numită perioadă de pete solare – sunt 11,2 ani.

Cromosfera poate fi studiată doar cu ocazia eclipselor solare sau cu instrumente

speciale. Fenomenele cele mai importante ce au loc în cromosferă sunt erupţiile solare, numite

flere. Acestea de fapt sunt iluminări ale cromosferei deasupra petelor solare, ceea ce indică

eliberarea rapidă a unei mari cantităţi de energie. La o astfel de erupţie solară în 1-2 ore se

poate elibera chiar o energie de 1026J. Conform unor teorii, în atmosfera Soarelui se întâlnesc

câmpuri magnetice de direcţii opuse, care se anihilează reciproc şi atunci degajă această


energie uriaşă. Prin eliberarea energiei vor fi acceleraţi electronii şi protonii prezenţi acolo, o

parte din ei înving atracţia Soarelui, o altă parte în câmpul magnetic, se năvăleşte în

cronosferă. În timpul erupţiei solare creşte radiaţia radio, X şi UV a Soarelui, dar se poate

observa şi erupţia electronilor şi a protonilor.

Coroana solară este un înveliş de gaz, având temperatura de 1-2 milioane K şi formă

variabilă, care poate fi văzută doar cu ocazia eclipsei de Soare. Din cauza temperaturii

ridicate, în coroană atomii sunt în stare multiplu ionizată, astfel numărul electronilor aici este

foarte mare. Tot prin temperatura ridicată se explică şi vântul solar, care de fapt este curgerea

spre exterior a materiei coroanei solare. Vântul solar este construit mai ales din protoni,

concentraţia lor la distanţa Pământului este în medie 6-10 l/cm3, iar intensitatea câmpului

magnetic este în medie de 0.05G.

Figura 23. Structura Soarelui

Activitatea solară şi unele fenomene terestre sunt legate într-un fel, cum s-a observat deja de

mult. Este de înţeles, căci de exemplu anumite componente ale radiaţiei cosmice provin de la

Soare, ionizarea ionosferei depinde puternic de activitatea Soarelui, de anotimp. Particulele

provenite din Soare – sunt mai ales electroni şi protoni ce ajung pe pământ pot fi împărţite în

trei grupe mari după originea şi viteza lor. Din prima grupă fac parte particulele vântului

solar, cu viteze relativ mici, în jur de 300-600 km/s. Din a doua grupă fac parte fasciculele de

vânt solar legate de golurile coroanei cu viteză de 100 km/s. A treia grupă constă din

particulele flerilor, cu viteza cea mai mare – câţiva 1000 km/s. Mişcarea acestor particule este

influenţată de vântul solar, mediu şi câmpul magnetic al Pământului, de aceea nu se poate

prevede exact ce consecinţe va avea pe Pământ câte o activitate solară. Particulele ce rezultă

din câte o erupţie solară mai mare au o energie atât de uriaşă că sigur trec prin câmpul

magnetic terestru şi astfel apar şi pe suprafaţa terestră.

Petesolare

NucleulZona deradiaţieRontgen

Zona deconvecţie

Fotosfera

Cromosfera


V.5.2. Energia solară

Până la urma urmei, toate sursele noastre energetice provin de la Soare, căci doar energie

geotermică – care rezultă din dezintegrarea substanţelor radioactive – şi energia nucleară nu

sunt de origine solară. Suprafaţa Pământului este anual radiată cu 24103,8-3,2 ⋅ J. Energie

solară. Cantitatea de energie ajunsă pe suprafaţa terestră ajunge secvenţial (din cauza nopţilor)

şi depinde de anotimp, înnorări. De aceea problema folosirii energiei solare înseamnă şi

problema stocării energiei solare.

Valoare medie a intensităţii radiaţiei solare în ţara noastră este de 1760 kWh/m2 pe an.

Numărul orelor însorite este 1900-2200 pe an, corespunde valorii medii din Europa, deci

avem şanse egale cu alte ţări privind folosirea energiei solare, care are multe avantaje: nu se

va epuiza într-un timp previzibil, nu este poluantă, nu trebuie transportată, nu se scumpeşte.

Omul foloseşte această energie din timpurile străvechi în mod direct (uscare, obţinerea sării

prin evaporare) indirect (alimente vegetale, combustibil fosil) şi în viitor cu epuizarea

combustibililor fosili o va folosi şi mai mult.

Soarele trimite anual atâta energie pe Pământ, cît este toată energia termică obţinută

din toată cantitatea de combustibil fosil până acum ars. Energia solară şi cea eoliană pot fi

transformate pe cale fizică în alte forme de energie, cel mai des în energie calorică şi electrică.

Plantele ce conţin clorofilă, prin fotosinteză transformă biologic energia solară în compuşi de

carbon organici (biomasa) din care se poate obţine energie electrică sau calorică prin

eliberarea energiei de legătură.

Există mai multe moduri de utilizare directe a energiei solare. Cele mai cunoscute şi

mai răspândite sunt metodele cu celule solare de mică energie, care transformă energia solară

în energie electrică. Celula solară funcţionează cu radiaţia directă sau indirectă (difuzată).

Randamentul teoretic poate fi şi de 60%, dar în practică s-a realizat mult mai scăzut. Pierderea

este datorată reflectării unei părţi din fotoni şi imposibilităţii de despărţire a purtătorilor de

sarcini de către fotonii de energie mică.

Boilerele solare (centrale solare de mare putere) sunt sisteme cu oglinzi parabolice,

care urmăresc mişcarea Soarelui prin dirijare computerizată. Energia luminii este concentrată

cu ajutorul unei lentile convergente pe rezervorul unui turn central şi apa din rezervor va

fierbe. Vaporii rezultaţi pun în mişcare un generator şi se produce curent electric. Într-o altă

variantă, fasciculul luminos concentrate încălzeşte o soluţie sărată care circulând sub presiune

cedează energia termică generatorului. Dezavantajul lor este nevoia de spaţiu extins (pentru a

produce 1 miliard de kWh/an e nevoie de 1100 ha). investiţie mare şi periculozitatea (dacă


controlul se defectează este pericol de incendiu, fasciculul luminos puternic este dăunător

ochiului, poate provoca accidente în traficul aerian şi terestru). Pot apărea şi schimbări

microclimatice şi ecologice în mediul înconjurător al centralelor solare. În cazul boilerelor

solare este important ca oglinzile să urmărească exact poziţia Soarelui. De aceea, oglinzile

sunt fixate pe un sistem având o axă paralelă cu axa de rotaţie a Pământului şi o altă axă

perpendiculară pe ea. Prima axă urmăreşte mişcarea zilnică a Soarelui – prin mişcare

automată – iar axa perpendiculară pe ea ia în consideraţie poziţia Soarelui deasupra

orizontului. Suprafaţa oglinzilor trebuie polizată corespunzător, iar materialul oglinzilor

trebuie să reziste la toate efectele meteorologice şi la deformaţii.

Există mai multe feluri de colectoare solare, dar principiul lor este identic. Partea

principală este absorbantul, care pe partea superioară este termoconductor (sticlă sau folie) la

mijloc sau jos are placă sau tub ce conţine un strat termoabsorbant (metal sau material de

culoare închisă.

Energia absorbită va fi cedată de absorbant unui curent de aer (sau apă) circulat. În

funcţie de intensitatea radiaţiei solare şi a temperaturii aerului, colectoarele pot încălzi aerul

circulat (sau apa circulată) la 50-1500. Randamentul este 70% vara şi 10% iarna, puterea

anuală poate fi 500 kWh/m2. Colectoarele cu circulaţie de aer produc mai multă energie decît

cele cu apă, însă randamentul celor din urmă este mai ridicat. Cu sistemele de colectoare

solare se poate satisface doar 60% din necesarul de energie pentru sistemele de încălzire a

locuinţelor şi a apei menajere, de aceea este important să existe concomitent şi sistemele

tradiţionale de producere a energiei.

Colectoarele din folie în formă de tub sau băşică pot produce căldură de dimineaţa

până după-masă târziu, chiar şi în lumină solară difuză, datorită poziţiei lor orizontale. Ele

sunt şi mai ieftine decât colectoarele cu plăci din fibre de sticlă, aşezate unghiular.

Dezavantajul lor că pot îngheţa iarna, se pot înmuia vara în caniculă şi se distrug relative

repede în radiaţia solară puternică. Vara au şi o sensibilitate la ventilaţie: dacă este prea

puternică tubul se poate aplatiza, iar dacă este prea slabă, el se poate supraîncărca şi se

înmoaie la cald. De aceea, fiindcă se urmăreşte funcţionarea colectorului tot anul, este mai

rentabil să se aleagă colectoarele cu plăci, care au o durată de viaţă mai lungă. Ele mai au

avantajul că pot fi montate şi pe clădiri.

Sistemele cu colectoare solare sunt folosite mai ales pentru asigurarea apei calde în

locuinţe şi iarna pentru încălzirea lor. Aceste sisteme pot funcţiona cu circulaţie prin ventilaţie

sau cu pompe sau după principiul termosifonului care este mai energoeconomic. În această


ultimă variantă, colectoarele sunt aşezate mai jos faţă de rezervorul cu apă şi apa încălzită în

ele circulă înspre sus, în locul ei ajunge apa mai rece din rezervor.

Acest schimb are loc până la egalarea temperaturii apei din rezervor şi colector. După

consumul apei din rezervor, procesul începe din nou.

Din cauza variaţiei intensităţii şi discontinuităţii radiaţiei solare, sistemele de încălzire

prin colectoare solare trebuie să fie legate de sisteme capabile de stocare a căldurii. Energia

solară poate fi captată şi în formaţiuni de casă de locuit – solar pentru plante pentru

aprovizionarea cu căldură, respectiv cu apă caldă, când solarul joacă rolul de colector:

surplusul de căldură se poate aspira după nevoie în locuinţă sau prin schimbător de căldură în

rezervorul cu apă.

Tehnica modernă, economisirea energiei, protecţia mediului au determinat răspândirea

modului de încălzire prin pompă de căldură. Este interesant că acest mod s-a răspândit mai

mult în ţările nordice, unde numărul orelor cu insolaţie este mult mai mic decât mai la sud.

Principiul de funcţionare a pompei de căldură este următorul: din sursa de căldură

energia este condusă în pompa de căldură unde ea este preluată de un mediu de răcire, capabil

să cedeze şi să preia căldura. Drept sursă de căldură se poate folosi şi solul, caz în care se

introduce în sol un sistem din polietilenă, umplut cu soluţie antigel. Căldura solului ajunge în

pompa de căldură prin intermediul soluţiei antigel. Pompa de căldură pune în circulaţie un

lichid cu temperatură de fierbere scăzută, presiunea ei poate fi variată .

Dacă asupra lichidului acţionează o presiune mică, el se evaporă puternic, preluând

căldura necesară procesului din mediul înconjurător. Dacă asupra fluidului acţionează o

presiune mare, el se lichefiază, cedând astfel căldură mediului. Pompa de căldură scade

presiunea fluidului când el intră în contact cu antigelul prin sistemul de tuburi, fluidul începe

să se evapore şi căldura necesară pentru proces preia de la antigel. Se ridică din exterior

presiunea vaporilor formaţi când intră în contact cu fluidul din sistemul de încălzire, astfel

vaporii se condensează în acelaşi timp cedează căldură sistemului de încălzire. Evident cu

pompa de căldură se pot produce şi vapori care pot fi folosiţi la producerea energiei electrice

– după modul obişnuit.

Pentru funcţionarea compresorului este nevoie de energie electrică care însă este doar

¼ din energia electrică redată, livrată. O energie mai “curată”, mai puţin poluantă pentru

mediu ca cea obţinută cu pompa de căldură se găseşte greu. Investiţia pentru un astfel de

sistem de încălzire este mai mare faţă de un sistem obişnuit, dar pe termen lung sigur se

recuperează.


Instalarea centralelor solare este rentabilă acolo unde numărul orelor cu insolaţie

atinge cel puţin o treime din valoarea teoretic posibilă. Dar şi în acest caz este nevoie de

sisteme în care se poate stoca energia neutralizată pe moment. O primă modalitate în acest

sens a fost depozitarea energiei în acumulatoare, care însă este cu pierderi mari, căci de

exemplu curentul continuu produs în acumulator trebuia transformat în curent alternativ. De

aceea, azi o parte din energia termică obţinută este condusă în rezervoare de căldură care

conţin substanţe organice, capabile să-şi menţină temperatura ridicată timp de câteva ore.

Alte modalităţi vechi de utilizare a energiei solare sunt desalinizarea apei, cuptorul

solar, respective funcţionarea pompei de apă. La desalinizare, căldura Soarelui evaporă apa şi

rămâne sarea. Această operaţiune este deosebit de energointensivă, de aceea azi din ce în ce

mai puţin se utilizează. Cuptorul solar se bazează pe faptul că pe suprafeţele colectoare

intensitatea razelor solare focusate este aşa de mare că în focar se poate măsura şi 40000C.

Acest sistem este potrivit pentru topirea metalelor şi prin această metodă se poate obţine

topitură de metal foarte pură. Aplicarea pompei de apă este importantă în zonele de deşert,

căci prin această metodă se poate obţine apă din fântânile de la mare adâncime. Această

metodă însă este potrivită şi pentru stocarea energiei solare, căci apa astfel depozitată în

rezervare la înălţime poate fi folosită la vremea potrivită pentru producere de energie în

continuare.

La sfârşitul anilor 1700 a început folosirea energiei solare în agricultură. Baza a

constituit descoperirea că un obiect aşezat sub o placă de sticlă se încălzeşte sub influenţa

razelor solare, apoi emite radiaţie electromagnetică de lungime de undă mare, care sunt

reflectate de placa de sticlă. Pentru mărirea randamentului, au vopsit sticla în interior într-o

culoare închisă, apoi au utilizat mai multe straturi de sticlă, astfel ajungând chiar la

temperatură de 1000C în spaţiul dat. Aplicaţia cea mai simplă este solarul, dar sistemul poate

fi folosit şi pentru încălzirea apei. Tot pe acest principiu se bazează uscătoarele; acest mod de

uscare este mai rapid decât de exemplu uscarea naturală şi fructele nu sunt agresate ca în

cazul uscătoarelor electrice.

Uscarea furajului este un alt domeniu de utilizare a energiei solare, căci uscarea în aer

cu 5-100C mai cald faţă de aerul din exterior nu produce pierdere de materie hrănitoare. Azi

este răspândită soluţia ca în faţa aşa numitului “uscător cu aer impus” se leagă un tub, realizat

din folie neagră, fixat pe sol. Un ventilator împinge aerul prin această folie de uscător, aerul se

încălzeşte trecând prin tub şi astfel în uscător ajunge aer cald.


V.6. Energia eoliană

Energia eoliană este o sursă de energie reînnoibilă, care există datorită Soarelui.

Circulaţia energiei eoliene se datorează diferenţei de temperatură a maselor de aer; încălzirea

maselor de aer are loc mulţumită radiaţiei de căldură emise de sol şi apă; iar solul şi aerul se

încălzesc datorită radiaţiei solare. Circulaţia de aer are loc până ce diferenţa de temperatură

dispare. În anumite locuri această egalare nu se realizează niciodată din cauza diferenţelor

mari între teritoriilor învecinate (de exemplu pe malurile mărilor), astfel acolo există curenţi

de aer permanenţi.

Viteza vântului este mai mare dacă diferenţa de temperatură este mai mare între masele de aer

şi dacă sunt implicate mase mai mari de aer.

Energia eoliană a fost utilizată pentru prima dată în Egipt, deoarece acolo au apărut

primele nave cu pânze. Persienii au folosit prima moară de vânt în secolul VII. Desăvârşirea

morii de vânt s-a făcut în Norvegia în secolul XIII. Aici au folosit deja roata de vânt cu axă

orizontală, astfel dacă s-a schimbat direcţia vântului ei puteau adapta aparatul. În anii 1700 în

Olanda funcţionau deja 8 000 de mori de vânt care atingeau şi puterea de 5-10 kW. Cu

apariţia maşinilor cu vapori, folosirea pe scară industrială energiei eoliene a fost neglijată.

Pentru a fi în competiţie trebuia rezolvată problema de depozitare a energiei – gândind astfel

şi la vremuri fără vânt – ceea ce însă a scumpit mult investiţiile. Începând cu secolul XX

energia eoliană i-a folosit pentru producerea energiei electrice, prima centrală eoliană mare

fiind în statul Vermont de putere 1,25 Mw.

Utilizarea energiei eoliene depinde mult de loc, întrucât pentru a produce energie

semnificativă este nevoie de vânturi constante. Şi intensitatea curentului trebuie să fie

potrivită, precum şi viteza vântului trebuie să fie mai mare ca media anuală de 4-5 m/s.

Puterea vântului este proporţională cu puterea a treia a vitezei vântului ( 3v~P ), iar viteza

vântului creşte proporţional cu radicalul de ordinal cinci al înălţimii (h) (adică 51

h~v ). Acest

fenomen este legat de faptul că frecarea ce apare pe suprafaţa terestră scade viteza curentului

de aer. Din cele de mai sus rezultă că în scopul producerii de energie sunt potrivite sistemele

aşezate la 30-200 m deasupra solului. În general viteza vântului atinge valoarea potrivită doar

pe malul mărilor, înspre uscat înaintând din cauza frecării viteza vântului scade mult.

Este rentabilă instalarea unei centrale eoliene doar în locul unde relieful şi mediul sunt

potrivite pentru câştig de energie eoliană. Căci relieful şi obiectele din mediu influenţează

mult aspectul de curgere a aerului. Alt parametru important este intensitatea curentului de aer

care trebuie să fie cel puţin 500-600 W/m2 pentru o folosire economică a energiei eoliene.


Trebuie ţinut seama că viteza vântului prea mare poate provoca stricăciuni în sistemele

centralei, de aceea centralele eoliene funcţionează în siguranţă doar până la viteze de 25-30

m/s. Aici se încorporează în centrale un sistem care automat opreşte funcţionarea centralei la

o viteză peste o viteză limită.

Centralele eoliene funcţionează în trei moduri:

- uzină insulă, adică energia electrică produsă se foloseşte în scop propriu;

- legată la reţeaua electrică;

- pentru consum individual şi în reţea electrică.

În Danemarca mai mult ca 1000 de centrale eoliene de putere medie produc energie electrică

cu puterea de 50-150 kW. Cheltuielile de funcţionare şi specifice sunt foarte convenabile şi

pot compensa cheltuielile de amortizare.

Energia eoliană pe lângă producerea energiei electrice este utilizată şi de exemplu

pentru extragerea apei cu ajutorul pompelor cu motor eolian precum şi la aerisirile apei de

canal cu motor eolian.

Există mai multe soluţii pentru depozitarea energiei centralelor eoliene. O metodă mai

veche, celula de combustibil, când energia eoliană se foloseşte pentru descompunerea apei,

apoi la nevoie, energia se obţine prin reacţia chimică a gazelor obţinute. Este posibil să se

producă chiar aer comprimat cu surplusul de energie şi apoi pe vreme fără vânt acest aer pune

în mişcare turbinele. Cu surplusul de energie se poate ridica apă şi apoi la nevoie apa poate fi

folosită pentru rotirea turbinelor. Energia electrică produsă de generatoarele eoliene din

energie eoliană poate fi folosită pentru încărcarea acumulatoarelor, care este tot o formă de

depozitare a energiei.

Pentru a asigura livrarea continuă a energiei, generatorul eolian poate fi dotat şi cu

celule solare. În acest caz Soarele şi vântul se completează perfect. Când este vreme însorită

fără vânt, celulele solare asigură energia, iar în lunile de iarnă, sau noaptea, energia eoliană

este disponibilă.

Un exemplu de folosire a energiei combinate este maşina pe bază de energie solară şi

eoliană, realizată în Norvegia., numită Fluture. Pe capota maşinii sunt trei colectoare solare,

iar în spate are o roată eoliană, acumulatorul din spatele maşinii se încarcă continuu sub

influenţa energiei solare, respectiv eoliene.

Posibilităţile uriaşe ascunse în energia eoliană exemplifică faptul că izvoarele de

energie eoliană pe coasta Europei este de 1,5 ori necesarul de energie total al Uniunii

Europene. Prin folosirea intensivă a energiei eoliene ar deveni inutile foarte multe centrale

electrice pe bază de combustibil fosil.


V.7. Utilizarea energiei hidraulice

Ciclul hidrologic din natură se petrece sub influenţa Soarelui. În acest sens, precum şi

deoarece energia hidraulică este de asemenea reînnoibilă, seamănă cu energia eoliană. Deşi

cantitatea de energie hidraulică a Pământului este mai mică în comparaţie cu necesarul de

energie mondial, totuşi importanţa ei este foarte mare. Există în lume locuri care sunt sărace

în alte forme de purtători de energie, însă foarte bogate în apă (de exemplu, Congo).

Importanţa ei în multe cazuri nu este producerea energiei electrice, ci folosirea apei în

agricultură şi în aplicaţii industriale.

Energia hidraulică a fost folosită deja în antichitate în China, India, când au apărut primele

roţi cu apă. Se cunosc două tipuri, roata care este lovită pe partea de jos de apă, care

transformă energia cinetică a curentului de apă şi cea lovită pe partea superioară care

transformă energia potenţială a apei în cădere. Randamentul lor însă este sub 1%. În Evul

Mediu energia apei a fost folosită la mori, pentru scoaterea apei din mine, iar începînd din

secolul XVIII deja se folosea şi în ateliere de fierărie. în centralele de azi, apa în cădere pune

în mişcare turbinele, ele la rândul lor generatoarele, adică energia hidraulică se foloseşte

pentru producerea energiei electrice.

La plasarea hidrocentralelor trebuie ţinut cont de responsabilităţile principale ale

gospodăririi apelor, astfel apărarea contra inundaţiilor, contra apelor interioare; asigurarea şi

apărarea rezervelor de apă (de exemplu apa de băut, apa industrială, apa pentru agricultură).

Hidrocentralele necesită modificări în cursul râurilor sau construirea barajelor, bazinelor, etc.

Construirea acestora este făcută cu mare atenţie, căci aceste intervenţii au consecinţe în natură

pe termen lung. La construirea bazinelor trebuie ţinut cont de stabilitatea terenului, de riscul

de cutremur, caracteristicile geologice, căci bazinul şi mediul său înconjurător trebuie să

reziste la mai multe milioane de metri cubi de apă.

Randamentul hidrocentralelor este proporţional cu debitul râului şi cu înălţimea de cădere.

Prin debit înţelegem volumul de apă care trece prin toată secţiunea râului în unitatea de timp.

La izvor, râul are un debit foarte scăzut, dar panta de cădere mare, iar la vărsare debitul deja

este mare însă panta de cădere este mică. Ca atare, porţiunea cea mai potrivită pentru aşezarea

hidrocentralei este porţiunea de mijloc a cursului unui râu.

Hidrocentralele pot fi clasificate din mai multe puncte de vedere. După înălţimea de

cădere putem vorbi de sisteme:


- sisteme cu cădere mică, unde înălţimea de cădere este mai mică de 15 m;

- sisteme cu cădere mijlocie, unde înălţimea de cădere este între 15 şi 50 m;

- sisteme cu cădere mare, unde înălţimea de cădere este mai mare decât 50 m;

în funcţie de puterea electrică livrată o hidrocentrală poate fi încadrată în:

- categoria I dacă puterea ei este peste 500 kW;

- categoria II dacă puterea ei este în regiunea 100-500 kW;

- categoria III dacă puterea ei este sub 100 kW.

În funcţie de construcţie pot fi:

- hidrocentrale cu denivelare naturală;

- hidrocentrale cu lac de acumulare, când valea sau matca râului se închide cu baraj şi

astfel se realizează denivelarea;

- hidrocentrale cu canale de deviere. În esenţă, în cazul lor apa din matca originală a

râului este condusă la centrală printr-un canal construit artificial. Drept urmare, căderea apei

la capătul canalului va fi mai mare decât în matca originală a râului. Apa, după utilizarea

energiei sale, este din nou dirijată în matca originală.

- hidrocentrale cu pompe, unde denivelarea se realizează cu pompe. Sarcina lor este să

stocheze energia produsă în centrale pentru perioada cu consum de vârf. Maşinile instalate pot

funcţiona ca pompe noaptea şi ca generatoare de turbină în timpul zilei.

Din punctual de vedere al gospodăririi apelor mai putem vorbi de hidrocentrale cu şi fără

depozitare. Depozitările sezoniere scad oscilaţiile în decursul unui an, iar cu depozitările mari

de apă se pot micşora oscilaţiile pe termen de mai mulţi ani.

Din ce în ce mai mult sunt preferate hidrocentralele bazate pe maree. Fenomenul de maree

este legat de atracţia exercitată de masa Lunii şi în măsură mult mai mică a Soarelui, asupra

mărilor. Luna acţionează cu o forţă de atracţie asupra apei mării, de aceea pe Pământ, de

partea Lunii, în mări apare un val de inundaţii, pe partea opusă a Pământului - deşi într-o mai

mică măsură – de asemenea apare mareea. În direcţia perpendiculară pe forţa de atracţie apare

fenomenul de reflux. Când centrele de greutate ale Pământului, Lunii şi Soarelui sunt aliniate,

atunci este cel mai puternic fenomenul de maree, ceea se întâmplă când e Lună nouă,

respectiv Lună plină. Când direcţiile Soarelui şi Lunii privind de pe Pământ fac un unghi de

900, atunci este cel mai slab fenomenul, acesta se întâmplă la primul, respectiv la ultimul sfert

de Lună. Mărimea mareei este influenţată de viteza şi direcţia vântului, de aceea centralele

bazate pe maree înseamnă o putere foarte schimbătoare.


Primele centrale pe bază de maree au funcţionat în secolul XI în Veneţia, Olanda unde s-a

folosit pentru funcţionarea morilor. Din păcate pe Pământ există doar 10-20 de regiuni unde

există condiţiile de realizare ale centralelor de acest fel, în Canada, SUA, Anglia, Argentina.

Prima centrală electrică experimentală bazată pe maree a fost în Germania construită în

1910, iar prima care a funcţionat producând energie semnificativă a fost în Franţa. Rentează

să se construiască centrală de maree unde diferenţa de nivele între flux şi reflux este de cel

puţin 5m. Asemenea centrale nu produc continuu, fenomenul de maree fiind secvenţial., în

timpul fluxului nu se produce energie, ci doar se umple bazinul de acumulare. Chiar după

terminarea fluxului este nevoie de un anumit timp de aşteptare pînă ce pe partea dinspre mare

a barajului nivelul apei scade corespunzător. Valurile de flux apar la 12,5 ore unul după altul,

dar pe baza celor descrise mai sus, centrala poate produce energie doar timp de 9 ore.

Şi în cazul centralelor bazate pe maree, apa în cădere pune în mişcare turbină de apă, care

însă sunt altfel realizate ca cele utilizate în centrale hidroenergetice. În cazul centralelor de

maree, turbinele trebuie să funcţioneze în anumite cazuri şi ca pompe pentru ca să fie crescut

nivelul natural al fluxului. Astfel de exemplu, în timpul fluxului prin investiţie de energie se

pompează apa în bazin, apoi în timpul refluxului energia este redată în reţea. Acest şir de

proceduri este economic dacă fluxul – şi ca atare pomparea ce necesită energie – are loc în

afara orelor de vârf de consum de energie, iar refluxul – şi ca atare producerea de energie are

loc în timpul orelor de consum de energie maxim.

În asemenea centrale se folosesc materiale speciale pentru prevenirea coroziunii puternice

ce poate provoca apa de mare.

V.8. Energie obţinută din biomasă

Biomasa – materie organică produsă de organisme vegetale şi de animale – este o formă

transformată, reînnoibilă a energiei solare. Omul o foloseşte de mult în diferite scopuri şi în

diferite variante, dar ea a devenit importantă de cînd a îceput economisirea purtătorilor de

energie fosili.

Biomasa, ca izvor de energie, poate fi utilizată:

- prin ardere directă – se produce energie calorică;

- în prezenţa aerului, prin fermentare(aerobă), se pot obţine alcooli (bioetanol,

biometanol) potriviţi pentru funcţionarea motoarelor;

- prin fermentare anaerobă se poate produce biogaz.


Bineînţeles, există şi alte modalităţi de utilizare (piroliză, gazefiere, realizarea unor

compuşi organici) ale biomasei.

Prin ardere se eliberează energia de legătură din biomasă, ceea ce omul a folosit din

timpurile străvechi. Aceasta este forma de obţinere de energie cea mai simplă, dar cu

randament relativ scăzut. Pentru ardere directă poate fi utilizată doar biomasa uscată sau cu

umiditate mică: lemne de foc, paie, tulpina şi ştiulete de porumb, deşeuri de lemne, rumeguş,

bălegar etc. 1 kg de paie este echivalent din punct de vedere energetic cu aproximativ 3-4 l de

ţiţei. La începutul anilor 1980 s-au realizat cuptoare proiectate pentru arderea baloturi întregi

de paie, dar ele funcţionau cu un randament prost, emiteau multe substanţe de ardere

dăunătoare, era dificilă alimentarea lor şi curăţirea lor. S-au elaborat şi alte soluţii de ardere,

de exemplu mărunţirea baloturi de paie, alimentarea automată şi arderea optimă (în funcţie de

nevoia de aer şi de căldură).

În aceste instalaţii baloturile de paie se toacă, un sistem de pârghii transportă paiele

tocate în cuptorul de ardere, de unde în funcţie de cerinţele de căldură ajunge în spaţiul de

ardere. Gazele fierbinţi rezultate încălzesc prin sistemul de tuburi apa din cazan. Cu asemenea

instalaţie se poate realiza şi încălzirea comunală.

Centralele cu ardere de lemn şi paie economisesc combustibil fosil, emit mai puţin

bioxid de carbon în atmosferă, deci sunt mai puţin poluante. De fapt emit peste 100 de

substanţe nocive, care sunt otrăvitoare, eventual cancerigene, în plus admit monoxid de

carbon, oxizi de azot, bioxid de sulf şi aldehide.

Majoritatea acestora se pot lega însă cu filtre. Dezavantajul centralelor de biomasă este

şi investiţia mare, ce rezultă din cheltuieli pentru spaţiul de depozitare mai mare, pregătirea

materiei prime, alimentarea automată, îndepărtarea mecanică a cenuşei şi curăţirea gazului de

ardere. În plus, la centralele de biomasă şi cheltuielile de întreţinere şi repararea sunt mai

mari, costul energiei electrice este mai mare şi necesită mai mult personal de deservire.

Raportând la producerea unei puteri de 1 MW, centrala cu ardere de paie lucrează aproximativ

cu 45% mai scump decât una cu ardere de ţiţei. O centrală de 20 MW foloseşte cel puţin

112 000 t paie, depozitarea şi menţinerea în stare uscată a materiei prime reprezentând

probleme mari. Biomasa are volum mare, cheltuielile de strângere, aducerea la formă

adecvată (în bală, apoi brichetare, presare) cu maşini speciale, de transport, de uscare

(exceptând cazul în care se face cu energie solară) sunt deosebit de mari. În plus, bilanţul

energetic nu prea este favorabil.

În Anglia au început construirea unor centrale cu materie primă de găinaţi. Aceasta

rezolvă problema aşezării găinaţilor şi în plus din zgura rezultată se produce îngrăşământ de


fosfor. Găinaţii din maşinile de transport ajung în canale de primire bine izolate, apoi într-un

amestecător, iar în formă omogenizată sunt introduşi în spaţiul de ardere la 8500C, controlat

de computer. Uzina practic este lipsită de fum şi cenuşă.

Capitolul VI. Folosirea energiei nucleare


Fisiunea nucleului atomului de uraniu a fost descoperită în 1938 de Otto Hahn, savant

german. Fizicienii ştiau deja, după cunoaşterea radioactivităţii şi a proceselor de dezintegrare

radioactivă, că în nucleu este comprimată o energie uriaşă. Dar, înaintea descoperirii fisiunii

nucleului de uraniu, eliberarea acestei energii şi punerea ei în slujba omenirii era doar teoretic

posibilă. Din uraniu – prin dezintegrare – se poate obţine aproximativ o energie de 100 000

ori mai mare decât s-ar obţine prin arderea unei cantităţi egale de cărbune. În experienţele lui

Hahn a avut loc doar fisiunea a câte unui nucleu de uraniu şi energia eliberată astfel nu era

importantă din punct de vedere economic. Pentru a ajunge la rentabilitate, era nevoie de

crearea condiţiilor pentru reacţia de lanţ controlată. În 1942 la Chicago, grupul de cercetători

conduşi de Enrico Fermi a reuşit prima dată realizarea reacţiei în lanţ controlate. În acest grup

aveau rol conducător şi câţiva fizicieni din Ungaria şi România: Szilárd Leó, Wigner Jenő şi

Teller Ede.

Energia uriaşă ce se ascunde în fisiunea nucleară, omenirea a cunoscut-o din păcate,

mai întâi sub formăa de distrugere, ca o bombă atomică. Au trecut aproape zece ani până ce a

fost cunoscută o formă paşnică de folosire a ei.

În 1954 în Uniunea Sovietică, la Cbninsk, s-a pus în funcţiune prima centrală nucleară

a lumii.

Deja la prima generaţie s-a obţinut o rentabilitate asemănătoare cu cele ale centralelor

tradiţionale. Investiţia la o centrală nucleară este mai mare; anume 1,5-1,8 ori faţă de centrala

pe bază de cărbune şi 2-2,5 ori faţă de centrala pe bază de motorină, însă centrala nucleară

funcţionează cu cheltuieli mai scăzute.

VI.1 Principiul de funcţionare al centralei nucleare

Centrala nucleară funcţionează pe baza folosirii energiei care rezultă din fisiunea nucleelor.

Fisiunea nucleului este provocată de neutroni, care pot fi rapizi (1-2 MeV) sau lenţi, numiţi

neutroni termici (0,2 MeV). Se folosesc de obicei reactoare termice în care neutronii lenţi

provoacă fisiunea nucleară. Neutronii lenţi sunt potriviţi pentru fisiune, căci ea are loc cu

probabilitate mai mare ca în cazul neutronilor rapizi. Dar neutronii lenţi pot fi utilizaţi doar la


fisiunea 235U, de aceea majoritatea reactoarelor folosesc drept combustibil uraniul îmbogăţit

în 235U. Ecuaţia fisiunii nucleare:

n32YXUnU 236235 −++→→+

unde X şi Y sunt produşi de fisiune, reprezentând doi izotopi cu număr de masă aproape

egal.

În urma fisiunii pe lângă nuclee apar şi unul sau mai mulţi neutroni rapizi. Ei vor fi

încetiniţi de moderator la nivelul termic şi astfel ei pot întreţine procesul de fisiune.

Moderatorul poate fi agentul răcitor însuşi (apă, apă grea) sau alt material (grafit). Cel mai

bun moderator are masa atomică în jurul valorii masei neutronului. Numărul neutronilor care

să întreţină reacţia de lanţ se reglează cu bare de reglare, materialul lor (cadmiu sau bor) este

puternic absorbant de neutroni.

Există diferite tipuri de reactoare, cum ar fi PWR (Pressured Light-Water Moderated

and Cooled Reactor, adică reactor răcit şi moderat cu apă uşoară sub presiune) reactor cu

fierbere (tot sub presiune se desfăşoară reacţia în lanţ, dar apa uşoară se fierbe prin căldura

eliberată ), reactoare cu 238Pn, reactor de înaltă temperatură (care foloseşte drept combustibil

pe lângă uraniul prezent şi 232Th, sub forma unor mingi de tenis din grafit, pus în straturi

succesive unul peste altul).

În 1993 s-a realizat un reactor nuclear, de viaţă lungă, foarte sigur şi de activitate

mare, fără deşeu. Combustibilul este toriu, care se bombardează cu neutroni din accelerator de

particule. Astfel toriul este excitat, se transformă în paladin şi apoi în 233U. Acest reactor

funcţionează deocamdată numai ca model.

Reactoarele de fuziune au viitorul în faţa lor, probabil vor deveni reactoarele cu

randament cel mai ridicat. La fuziunea nucleelor se degajă o energie mare de exemplu: dintr-

un kilogram de deuteron se pot obţine astfel 24 milioane kWh. O astfel de energie s-ar obţine

prin arderea a 3 milioane kg de cărbune. Astfel de fuziune are loc de exemplu în Soare, unde

4 protoni se unesc într-un nucleu de heliu, mai exact:

γ2e2p2Hep6 +++→ + (i)

adică 6 protoni rezultă un nucleu de heliu, 2 pozitroni, 2 fotoni gamma şi alţi 2 protoni.

Procesul este precedat de descompunerea protonului:

γ++→ +enp (j)


adică protonul se transformă în neutron, pozitron şi foton gamma. Acest proces are loc cu o

probabilitate foarte mică, astfel doar la fiecare a 1018-a întâlnire proton-poton se realizează

fisiunea.

Procesele de fisiune se petrec doar dacă nucleele ajung foarte aproape unul de altul –

conform distanţei de acţiune a forţelor nucleare la distanţa 10-15 m. Dar la această distanţă

forţa de respingere coulombiană este foarte mare, ceea ce se poate învinge doar dacă energia

cinetică a nucleelor este foarte mare, aproximativ 1 MEV. Această energie cinetică se poate

atinge dacă protonii sunt ţinuţi la temperatură ridicată, şi anume la 109 K(dar deja la 106 K

apar protoni cu energie suficientă). În Soare fuziunea are loc la temperatură de 10-15 milioane

K.

În condiţiile terestre asigurarea unei astfel de temperaturi ridicate nu este posibilă. În

plus, pentru derularea continuă a reacţiilor ar trebui ca nuclee timp îndelungat să se găsească

într-o concentraţie mare, de exemplu 1015 cm-3 în cazul temperaturii 108 K. Există

experimente în care combustibilul este ţinut laolaltă cu ajutorul câmpului magnetic. Într-un alt

experiment, sferele de combustibil se încălzesc cu laser în impulsuri scurte, energia degajată

în fuziunea pornită încălzeşte mai departe sistemul, adică fuziunea devine autoîntreţinătoare.

Experimentul se continuă, poate dezvoltarea tehnicii va face posibilă realizarea reactorului

nuclear pe bază de fuziune, are mare câştig de energie.

VI.2 Centrala nucleară de la Cernavodă

Construcţia centralei nuclearo-electrice de la Cernavodă a început în anii 1980, în timpul

regimului lui Nicolae Ceauşescu. Însă unitatea Cernavodă 1 a fost terminată abia în 1996.

Decizia lui Nicolae Ceauşescu de a folosi tehnologie CANDU a fost luată din motive politice

şi nu pe criterii tehnice şi economice, pentru a nu crea dependenţă de alte state pentru

importul de uraniu îmbogăţit. Reactoarele CANDU nu necesită acest tip de combustibil,

folosind, în schimb, uraniu natural din minele româneşti.

CANDU (CANadian Deuterium Uranium) este un reactor de putere de tip canadian care

foloseşte uraniul natural drept combustibil, si apa grea ca moderator şi agent de răcire.

Prima Centrală Nuclearo-Electrică din România, Cernavodă 1, este situată la 180 km la est de

Bucureşti, este o centrală nucleară de tip CANDU 6.


Reactorul este format dintr-un ansamblu cilindric din oţel - inox (calandria) plasat

într-o structură de beton placat cu oţel (chesonul calandriei) care asigură protecţia termică şi

răcirea. Calandria conţine apa grea ca moderator, mecanisme de control al reactivităţii şi 380

canale de combustibil. Canalele de combustibil care conţin combustibil si apă grea folosită ca

agent de răcire, sunt amplasate în tuburi mai mari în calandria.

Calandria este suţinută de protecţii de capăt între zona activă a reactorului şi zona de

funcţionare a maşinii de încărcat combustibil. Reactorul este încărcat cu uraniu natural sub

formă de pastile de bioxid de uraniu. Treizeci de pastile puse cap la cap sunt conţinute într-o

teacă din aliaj de zirconiu (Zircaloy) formând un element combustibil. Treizeci şi şapte de

asemenea elemente sunt asamblate într-un fascicul de combustibil care cântăreşte 23,7 kg.

Fiecare canal de combustibil conţine doisprezece fascicule de combustibil.

Sistemul de reglare al reactorului controlează puterea reactorului în limitele specifice

şi asigură că sunt îndeplinite cerinţele centralei; de asemenea monitorizează distribuţia puterii

în zona activă pentru a optimiza puterea pe fascicul şi pe canal conform specificaţiilor de

proiect.

Sistemul de manipulare a combustibilului realimentează reactorul cu fascicule de

combustibil proaspăt în timpul funcţionării normale a reactorului; acest sistem este proiectat

să funcţioneze la toate nivelele de putere a reactorului. De asemenea, sistemul asigură

depozitarea temporară a combustibilului proaspăt şi iradiat.

Fasciculele de combustibil sunt împinse în canalul reactorului de către o maşină de încărcat

combustibil, acţionată de la distanţă. Fasciculele de combustibil iradiat sunt descărcate în

acelaşi timp de o altă maşină de combustibil, situată la capătul opus al canalului de

combustibil. Combustibilul iradiat este apoi transferat într-un bazin de stocare plin cu apă

aflat în clădirea serviciilor, lângă clădirea reactorului

Sistemul de transport al căldurii asigură circulaţia agentului de răcire presurizat

(D2O) prin canalele de combustibil pentru a extrage căldura produsă prin fisiunea uraniului.

Căldura este transportată de către agentul de răcire la cele patru generatoare de abur identice.

Sunt prevăzute doua bucle de circulaţie, fiecare răcind câte o jumătate din zona activă.

Generatorul de abur şi pompele de circulaţie sunt plasate la fiecare capăt al reactorului astfel

încât în jumătate din zona activă, debitul este direcţionat într-un sens, iar in cealaltă jumătate,

în sens opus. Presurizorul menţine presiunea în circuitul de răcire la o valoare relativ ridicată.

Fluidul de răcire este circulat în permanenţă în timpul funcţionarii reactorului, pe durata

opririi şi în perioada de întreţinere.


Neutronii produşi prin reacţia de fisiune sunt moderaţi (încetiniţi) de apa grea (D2O)

din calandria. Apa grea este circulată prin sistemul moderator pentru răcire, purificare si

controlul substanţelor folosite pentru reglarea reactivităţii. Apa grea din calandria acţionează

ca o sursă rece într-un eveniment de pierdere a agentului de răcire, fapt ce ar coincide cu

indisponibilitatea sistemului de răcire la avarie a zonei active.

Sistemul generator de abur transferă căldura din apa grea (D2O) folosită ca agent de

răcire, apei uşoare (H2O) pentru formarea aburului, care duce la turbo-generator. Sistemul

generator de apă de alimentare procesează aburul condensat venit de la turbina şi îl trimite

la turbo - generator.

Turbina tip CANDU 6 constă dintr-un corp de înaltă presiune dublu flux şi trei corpuri de

joasă presiune în dublu flux care eşapează în trei corpuri de condensator.

Sistemul turbo-generator constă dintr-un grup turbo-generator cu puterea nominală

de 600 MWe la ieşire, cît şi sisteme auxiliare pentru asigurarea condensării aburului eşapat

din turbina şi pentru preîncălzirea apei de alimentare a generatorului de abur.

VI.3. Ciclul combustibilului

Primul pas scoaterea UO2 din minereu, conţinutul fiind doar de 0,1%, este nevoie de

cantitate mare, dar rezultă şi mult steril. Pentru mineri este o muncă periculoasă, sunt expuşi

la cancer pulmonar şi îmbolnăviri ale căilor respiratorii.

Majoritatea minelor sunt în locuri cu densitate de populaţie mare. Locuitorii sunt şi ei

expuşi, de exemplu radonul ieşit în aer, praful în cazul mineritului la suprafaţă. Apa freatică,

respectiv apa de suprafaţă se poate contamina, cu radiu, radon şi arsen.

Materia primă exploatată din mine, este prelucrată. LA sfîrşitul procesului se obţine o

masă cu conţinut de 70% din uraniu numită „cozonac galben”.

În cazul exploatării miniere „în situ” adică, pe loc, se presează acid sulfuric printr-o

gaură realizată cu burghiu în subteran unde se găseşte uraniu şi printr-o altă gaură făcută se

pompează afară soluţii cu conţinut de uraniu formată. Această metodă poate utiliza un succes

acolo unde zăcământul este înconjurat de strat impermeabil. Are avantajul câte o metodă mai

ieftină, nu trebuie depozitat sterilul, însă marele dezavantaj este poluarea accentuată a solului,


respectiv problema de depozitare a apelor uzate. În plus, trebuie luat în seamă efectul acidului

sulfuric asupra minereului şi imposibilitatea restabilirii stărilor geologice iniţiale.

Pentru centralele nucleare care lucrează cu uraniu îmbogăţit, după exploatarea

uraniului se trece la procedura de îmbogăţire în conţinutul de 235U. Pentru separarea izotopilor

se pot folosi procedee chimice, ci procedee fizice bazate pe diferenţa de masă a izotopilor. În

acest sens uraniul mai întâi este gazificat cu ajutorul fluorului în UF6.

Metodele de separare sunt:

- metoda suflantă – gazul UF6 se introduce într-un tub subţire în formă de semicerc,

numit suflantă. Moleculele de gaz cu izotop 238U au masă mai mare, de aceea în tub înaintează

pe traiectorie cu raza mai mare (exteriorul tubului) şi astfel se pot separa relativ uşor de

moleculele de gaz conţinând izotopul 235U care se vor mişca pe arcul de cerc interior.

- metoda de difuzie – a gazului UF6 printr-o membrană, prin care trec mai multe

molecule mai uşoare, mai mobile care conţin 235U, decât moleculele mai grele cu 238U.

- metoda centrifugală. Gazul UF6 se introduce în centrifugă, unde moleculele cu238U, datorită inerţiei lor mai mari vor fi aruncate la margine, iar moleculele cu 235U rămân în

proporţie mai mare la mijloc.

- metoda termodifuzivă – gazul UF6 se introduce într-un tub vertical. În axa tubului

este un fir de încălzire prin care gazul este încălzit. Moleculelel cu masăai mică se adună în

jurul firului de încălzire, iar cele cu masă mai mare la marginea tubului se grupează.

Densitatea gazului încălzit în jurul firului este mai mică şi ca atare se ridică în partea

superioară a tubului. Gazul de densitate mai mare de la marginea tubului se va mişca în jos,

adunându-se în partea inferioară a tubului.

- metoda cu laser – se bazează pe faptul că izotopii diferiţi au energii de ionizare

diferite. Gazul UF6 este radiat cu laser de frecvenţă alternativă, frecvenţa reglată astfel ca să

fie capabilă să ionizeze atomi 235U. Deci, atomii 235 se vor ioniza, iar atomii 238U nu. Trecând

apoi înre plăci încărcate electric, ionii se separă uşor de atomii neutri.

Din gazul UF6 se produce UO2 necesar pentru combustibil. Primul pas de obicei este

presarea în tablete cu diametrul de 1cm şi înălţime 1,5 cm, care se încălzesc la 1700oC pentru

a obţine rigiditatea şi densitatea necesare. Tabletele prelucrate cu precizie de 0,0001 mm sunt

introduse în tuburi din zirconiu, umplute cu heliu (pentru un transfer de căldură mai bun). În

tub, deasupra tabletelor se lasă un spaţiu numit spaţiu de dezintegrare, pentru gazele rezultate

în urma dezintegrării. Tuburile se închid.

După folosire, aceste tuburi conţin încă uraniu şi plutoniu. Combustibilul uzat este

reprocesat după o odihnă de 10-15 ani, recuperând părţile utile (uraniu şi plutoniu) pentru


combustibil, iar deşeul foarte radioactiv se introduce în matricea de sticlă şi se pun în cimitirul

de izotopi.

VI.4. Pericolele ciclului combustibilului

Reprocesarea combustibilului are faze periculoase. Odihnirea combustibilului uzat se face

într-un bazin de beton umplut cu apă pe teritoriul centralei. Soluţia aceasta este temporară şi

nu este sigură. Deşeurile radioactive se pot împărţi în trei grupe:

- deşeuri slab radioactive - nu sunt periculoase, puterea lor calorică este mai mică de 2 kV

pe unitatea de volum. Aici aparţin hainele de lucru ale muncitorilor, materialele de protecţie

folosite, filtrele de aer, deci toate uneltele se compactează, se închid în butoaie şi ajung în

cimitirul de izotopi. Deşeurile slab radioactive pot fi de viaţă scurtă, când timpul de

înjumătăţire este mai mic decât 30 de ani, respectiv de viaţă lungă, cu timp de înjumătăţire

mai mare decât 30 de ani.

- deşeuri mediu radioactive – sunt materiale activate în reactor, de exemplu tuburile înveliş

ale combustibilului. Şi aceste materiale sunt compacte, cimentate în butoaie de oţel. Aceste

deşeuri, împreună cu cele slab radioactive ajung, în depozite la suprafaţă sau î apropierea

suprafeţei (maximum 200 m adâncime) unde, conform standardului internaţional se urmăresc

continuu timp de 300 de ani (137Cs este cel mai des întâlnit în aceste deşeuri, timpul de

observare este de 10 ori timpul de înjumătăţire al acestui izotop).

- deşeuri puternic radioactive – sunt produşi formaţi în procesul de fisiune, care nu se mai

pot refolosi, ele au o putere calorică mai mare ca 2 kW/m3. Aceste deşeuri necesită procesare

deosebită. Soluţia activă este comprimată, apoi chimic transformată. La 1150oC se topeşte cu

praf de sticlă şi se toarnă în butoaie inoxidabile. Aceste butoaie ajung în depozite, unde se

pun la 300-800 m adâncime şi se asigură măsurarea radiaţiei lor în timp de 10 000 de ani,

În atelierul de reprocesare, în urma prelucrării unei tone de uraniu rezultă în medie

130l deşeuri active şi 6 000 l deşeuri slab active, toate acestea ajungând în cimitirele de

izotopi.


VI.5. Cerinţe faţă de deponeul de izotopi.

La alegerea deponeului de izotopi se iau în consideraţie caracteristicile geologice,

tectonice, hidrologice, geochimice, geofizice etc ale teritoriului. În plus, proprietăţile să fie

omogene şi constante în timp.

Roca de exemplu trebuie să fie:

- aproape impermeabil;

- bun conductor termic;

- să nu dizolve izotopii radioactivi;

- fără risc seismic;

- cu mare putere de legare de izotop.

Ţinând cont de cele de mai sus granitul este potrivit pentru stabilitate, rigiditate, dar nu

are capacitatea de legare a izotopului corespunzătoare. Argila leagă bine izotopii, este

impermeabil, deci potrivit pentru cimitir de izotopi. La ora actuală se consideră că ocnele de

sare sunt cele mai potrivite în acest scop. Aşezarea deşeurilor se face prin teleghidare, intrarea

este interzisă, supravegherea se face prin camere video.

VI.6. Energia nucleară şi mediul

Producerea şi folosirea energiei are consecinţe negative asupra mediului. „Energia cea

mai curată” este cea pe care nici nu o folosim, adică cu cît economisim mai multă energie, cu

atât protejăm mai mult mediul. În Europa de Est şi Europa Centrală energia raportată la

unitatea de produs este foarte ridicată, deci aici este nevoie de străduinţă în vederea reducerii.

Ca atare se impune aplicarea producerii de energie cu costuri mai mici, care să includă

evident şi costurile pentru protecţia şi refacerea mediului.

Încetul cu încetul au ajuns în prim plan efectele surselor de energie asupra mediului şi

asupra sănătăţii. A crescut interesul pentru: efectul de încălzire globală a CO2-ului rezultat în

urma combustibilului fosil, defrişării pădurilor, ploilor acide, etc. Nevoia de energie pe plan

mondial creşte în fiecare zi. Soluţia este folosirea tuturor surselor de energie într-o proporţie

adecvată astfel ca impactul asupra mediului şi sănătăţii să fie minima. În acest sens, energia

nucleară şi hidroenergia vor avea rol important pe lângă folosirea combustibilului fosil.


Cum am amintit deja, centralele pe bază de cărbune produc multă zgură şi cenuşă

radioactive. Izotopii conţinuţi, în mare parte, au timp de înjumătăţire mare, radiază particulele

α , care au activitate biologică, deci intră în categoria de izotopi foarte periculoşi. Centralele

nucleare în schimb, emit izotopi cu timp de înjumătăţire mic, care radiază particule β .

În 1987 cantitatea totală de deşeuri nucleare cu activitate mare, din toate centralele

nucleare din lume, a fost 6 000 t. Dacă energia produsă de aceste centrale s-ar fi realizat din

cărbune, atunci deşeul toxic de metale grele ar fi fost 100 000 t.

Utilizarea combustibilului fosil produce o poluare globală, ploi acide, schimbarea climei ce a

început din secolul trecut în mod clar, cauza principală fiind CO2 acumulat în atmosferă

(efectul de seră). Producerea energiei electrice prin arderea combustibilului este răspunzătoare

pentru emiterea a 6,5 miliarde tone de CO2 (din totalul de 20 miliarde tone de CO2 emise

anual).

La Conferinţa Lumea în schimbare din Toronto, în 1988 s-au făcut următoarele recomandări:

- pînă în 2005 se reduce nivelul emisiei de CO2 cu 20% faţă de 1988. în acest program rolul

naţiunilor industriale este foarte mare.

În afara respectării regulilor impuse este nevoie ca:

(1) să se folosească combustibili care produc mai puţin CO2;

(2) să se caute surse de energie noi;

(3) să se recâştige încrederea opiniei publice în utilizarea energiei nucleare, care s-a clintit

în urma necazurilor şi problemelor centralelor nucleare privind securitatea,

depozitarea deşeurilor precum şi răspândirii armelor nucleare. Numai după aceea

poate să înlocuiască energia nucleară combustibilii emiţători de CO2.

VI.7. Securitatea funcţionării centralelor nucleare CANDU (Centrala nuclearăCernavodă)

Unitatea 1 de la Cernavodă asigură cca 9-10% din necesarul de energie al României. Uniunea

Europeană a aprobat în data de 11 iunie 2003 acordarea unui credit de 235 milioane de euro,

prin programul Euratom, pentru finalizarea construcţiei Unităţii 2 de la Cernavodă.

Toate reactoarele nucleare în funcţiune acumulează în miezul lor, aşa cum am arătat, o

mare cantitate de material radioactiv. Cea mai mare parte a acestora este constituită de


produse de fisiune, majoritatea cu ciclu scurt de viaţă şi de obicei foarte radioactive şi din

actinide (ex. Plutoniu 239), care au un ciclu mare de viaţă şi sunt foarte toxice.

Prin definiţie, un accident major la un reactor ar duce la supraîncălzirea şi topirea ulterioară a

combustibilului nuclear, care are ca rezultat trecerea în mediu a unei cantităţi substanţiale de

materiale radioactive, după depăşirea mai multor bariere formidabile.

Ameninţarea majoră pentru sănătate şi mediu s-ar datora emisiei produselor de fisiune

în atmosferă. Cele mai importante dintre acestea sunt: cesiu, ruteniu, telur şi gazele de fisiune:

iod, krypton şi xenon.

Dacă o cantitate substanţială de radioactivitate ar fi eliberată în atmosferă,

radioactivitatea s-ar aduna într-un „nor” care ar fi dus de vânt.

La distanţe de doi sau trei kilometri, în funcţie de viteza vântului, norul ar începe să se

disperseze (zona de dispersie s-ar putea întinde pe distanţe de câteva sute de kilometri) şi

materialele radioactive ar fi depuse pe sol. Consecinţa ar fi atât cancere imediate, cît şi latente.

Când vorbim despre siguranţa unui reactor nuclear ne referim mai ales la cît de

eficient poate fi împiedicată cantitatea foarte mare de radioactivitate conţinută de miezul

reactorului să treacă în sol şi atmosferă în eventualitatea unor disfuncţionalităţi majore.

Reactoarele CANDU au combustibilul în sute de „canale pentru combustibil” separate,

fiecare închis în propriul său „tub de presiune”. În acest sens, CANDU este similar design-

ului reactorului de la Cernobîl.

Este bine cunoscut că asemenea reactoare cu „tub de presiune” au toate o caracteristică

periculoasă, cunoscută sub denumirea de „coeficient pozitiv de vid al reactivităţii”. Cu alte

cuvinte, coeficientul pozitiv de vid al reactivităţii înseamnă că de fiecare dată când are loc o

pierdere de agent de răcire într-unul sau mai multe canale ale miezului reactorului are loc

imediat o suprasarcină. Aceasta agravează accidentul, deoarece dacă suprasarcina nu este

soluţionată imediat – în câteva secunde – miezul s-ar putea distruge destul de violent şi

eliberarea de energie rezultată ar putea crea o breşă în pereţii reactorului, furnizând o cale de

ieşire pentru radioactivitate.

Proiectanţii de reactoare au asigurat caracteristici speciale de protecţie pentru a face

faţă urgenţelor anticipate: sisteme de siguranţă, sisteme pentru răcirea în regim de urgenţă a

miezului, sisteme de închidere rapidă, sisteme pentru furnizarea î regim de urgenţă a energiei

electrice ş.a.m.d. Spre deosebire de majoritatea celorlalte tipuri de reactoare, fiecare reactor

CANDU are două sisteme total independente pentru închidere rapidă. Această redundanţă a

fost determinată de necesitatea adaptării la suprasarcină ca urmare a pierderii de agent de

răcire din cauza coeficientului pozitiv de vid al reactivităţii. Costul adăugării unui al doilea


sistem de închidere rapidă a fost justificat de faptul că accidentele cauzate de „pierderea

controlului” – acelea care pot necesita folosirea unui sistem rapid de închidere – aveau loc de

aproximativ o sută de ori mai des la reactoarele CANDU din Ontario, decât fusese prezis de

calculele probabilistice ale industriei.

Cernavodă 2 ca toate reactoarele mari – va cuprinde un imens inventar de materiale

radioactive. Aproximativ 300 de tipuri diferite de radionuclizi vor fi create în interiorul

reactorului ca rezultat inevitabil al procesului de fisiune nucleară. Toate generează căldură ca

rezultat al degradării radioactive.

Cea mai mare parte a căldurii este generată de „produsele de fisiune” - bucăţile rupte de

atomi de uraniu şi plutoniu care au fost „divizate”. În afară de produsele de fisiune – bucăţile

rupte de atomi de uraniu şî plutoniu care au fost „divizate”. În afară de produsele de fisiune

există „produsele de activare” – materiale în prealabil ne-radioactive care au devenit

radioactive ca urmare a transmutaţiei nucleare – şi „elementele transuranice” cu ciclu foarte

mare de viaţă şi foarte toxice (aşa numitele „actinide”) cum ar fi americiu, plutoniu şi curiu –

elemente grele produse de om, create când atomii de uraniu din combustibil absorb unul sau

mai mulţi neutroni fără divizare.

Pot avea loc emisii mari de radiaţii în mediu ori de câte ori combustibilul reactorului

este serios afectat, iar învelişul de siguranţă al clădirii reactorului este deteriorat. Mai mult,

topirea combustibilului poate avea loc în absenţă fisiunii nucleare.

Reactorul Cernavodă 2, operând la putere maximă va genera aproximativ 2 100 MW

de căldură (doar o treime este transformată în energie electrică). Imediat după închidere, din

cauza degradării radioactive, miezul va continua să genereze cam 7% din căldura generată la

putere maximă - adică aproximativ 147 MW de căldură. La o oră după închidere, producerea

reziduală de căldură va fi încă de aproape 4% din căldura generată la putere maximă – adică

84 milioane de Watt de căldură. Este mai mult decât suficientă căldură pentru a topi miezul

reactorului. Dacă această „căldură de degradare” nu este „îndepărtată” imediat şi continuu,

miezul se va topi.

Mai mult, chiar în absenţa unei deteriorări prealabile a învelişului de siguranţă, desfăşurarea

accidentului ar putea să declanşeze forţe care ar ajunge să străpungă acest înveliş prin

suprapresiune, explozii sau topire.

România este o zonă cu riscuri seismice. Din cauza adâncimii mari la care unele dintre seisme

îşi au originea, aşa-numitele „sub-crustale” sunt deseori mai puţin atenuate şi mai distructive

decât cutremure de magnitudini comparabile cu originea în alte zone ale lumii. Aceste seisme

sub-crustale au dus în trecut la decesul a mii de oameni şi au provocat mari pagube. În unele


cazuri, s-au simţit chiar până la Moscova. Cutremurele cu originea mai aproape de suprafaţă

(„cutremure crustale”) sunt de asemenea comune în regiune, unele având epicentrul mult mai

aproape de zona Cernavodă – inclusiv unele chiar peste graniţă în Bulgaria.

Deoarece Cernavodă 2 foloseşte uraniu natural nu uraniu îmbogăţit, este o structură mai mare

şi mai voluminoasă decât reactoarele de putere comparabilă, dar de alt model. Structurile sunt

deseori mai vulnerabile la cutremure decât cele mai mici.

Chiar dacă integritatea structurală a reactorului nu este afectată în întregime, pot

apărea daune interne, cu posibilitatea afectării integrităţii structurii de siguranţă (ex.

Amortizoarele de ventilaţie) sau a sistemelor speciale de siguranţă a reactorului.

În timpul unui cutremur, vibraţiile pot cauza crăpături ale ţevilor în interiorul clădirii

reactorului, determinând astfel o pierdere de agent de răcire şi o suprasarcină. Se pot

manifesta de asemenea şi probleme de furnizare a energiei electrice.

În cazul în care un cutremur grav ar avea loc în timpul unei realimentări – o activitate

care este desfăşurată în fiecare zi la un reactor CANDU – este de presupus că interacţiunea

mecanică dintre maşina de alimentare şi tuburile de presiune ar putea cauza spargerea ţevilor

la ambele capete ale miezului orizontal. Aceasta ar fi o situaţie deosebit de dificilă; agentul de

răcire de urgenţă nu poate curge prin miez într-un asemenea caz, din cauza lipsei diferenţei de

presiune necesare.

Cea mai evidentă diferenţă între reactoarele CANDU şi alte reactoare este folosirea

„apei grele” sau a „oxidului de deuteriu” (simbol chimic D2O) în locul „apei uşoare” sau oxid

de hidrogen” ca agent de răcire/moderator. Astfel CANDU vine de la CANadian Deuterium

Uranium.

LA data de 25 ianuarie 2003, reactorul 1 de la Cernavodă a fost închis datorită

insuficienţei apei de răcire cauzate de scăderea nivelului Dunării. Închiderea a fost consecinţă

a secetei manifestate în Europa, care a dus, printre altele, la oprirea traficului fluvial pe cea

mai mare parte din Dunăre şi Elba şi funcţionare ala capacităţi scăzute a hidrocentralelor.

Deficitul de energie electrică a fost acoperit prin creşterea producţiei centralelor pe

combustibili fosili. Reactorul a fost repus în funcţiune pe data de 16 septembrie 2003 şi

reconectat la Sistemul Energetic Naţional pe data de 20 septembrie.


VI.8. Disfuncţionalităţi şi riscul de accidente la centrale nucleare.

În cadrul folosirii energiei nucleare, până acum au apărut câteva accidente mai mici şi

mai mari, cu urmări de poluare a mediului. Aceste accidente le împărţim în două categorii

mari: accidente de radiaţie şi accidente nucleare.

Accidentul de radiaţie – este un eveniment extraordinar legat de folosirea surselor

ionizate sau a substanţelor radioactive, în cursul căruia personalul şi/sau locuitorii aflaţi,

respectiv domiciliaţi în zona periclitată primesc, sau pot primi, o doză de radiaţie peste limita

de doză admisă.

Accidentul nuclear – este evenimentul extraordinar produs în timpul producerii,

transportului, utilizării sau manipulării substanţei nucleare, care provoacă daune nucleare.

Dauna nucleară înseamnă toate cheltuielile pentru micşorarea şi restabilirea tuturor

pierderilor, daunelor provocate privind sănătatea umană, viaţa, bunurile materiale şi natura.

Scara Evenimentelor Nucleare Internaţională – conţine 7 nivele, deranjamentele au

3 nivele, iar accidentele 4. Acele evenimente care nu au importanţă din punct de vedere al

securităţii, sunt de nivel zero. Nici evenimentele care nu au legătură cu funcţionarea

centralelor nucleare, de exemplu accidente industriale, nu sunt încadrate pe scară.

Nivele de încadrare în scară sunt:

1. Anomalie – Nerespectarea regulilor de securitate, care încă nu prezintă risc nici pentru

muncitori, nici pentru locuitori.

2. Avarie – Radiaţia la care au fost expuşi muncitorii nu depăşeşte limita anuală, dar

poate avea consecinţe privind securitatea.

3. Avarie gravă – Se încadrează aici acele situaţii, când nu s-a produs accidentul, dar

sistemele de securitate nu ar fi putut împiedica producerea accidentului în timpul

deranjamentului. În asemenea situaţii muncitorii sunt expuşi la doză de radiaţie peste

limita admisă, dar locuitorii din zona periclitată primesc o doză doar de câţiva zecimi

de mSv.

4. Accident cu urmări în incinta uzinei – Acest eveniment extraordinar este deja

consecinţa unei topiri de zonă parţiale. Locuitorii din zona periclitată primesc cel mult

o doză de câţiva mSv, dar la câţiva muncitori pot apărea efecte nocive acute.

5. Accident cu risc în afara incintei uzinei – Izotopii radioactivi scapă în mediu într-o

concentraţie ce pune în pericol şi populaţia; valoarea de activitate aproximativ 1014-

1015 Bq. Această situaţie apare în urma defectării grave a zonei reactorului. În acest


caz se procedează la o parţială punere în aplicaţie a programului de înlăturare a

accidentului nuclear privind populaţia.

6. Accident grav – Pot apărea consecinţe grave, nocive sănătăţii cînd o mare cantitate de

substanţe radioactive au fost emise, o activitate de 1015-1016 Bq. În această situaţie se

aplică toate măsurările din programul de înlăturare a consecinţelor accidentului

nuclear.

7. Accident foarte grav – în acest caz majoritatea substanţelor din reactor ajuns în

mediu, activitatea fiind peste 1016Bq. În acest caz există pericolul de accident de

radiaţie pentru persoanele din centrala nucleară şi din apropierea ei. Efectele nocive

ulterioare privind sănătatea şi poluarea mediului apar pe teritorii mari, chair şi în ţările

vecine.

Pe baza celor de mai sus, principalele accidente nucleare din lume pot fi încadrate astfel:

1957: la centrala nucleară din Windscale (Anglia) a fost un accident în reactorul de grafit

răcit cu aer şi s-au emis produşii de dezintegrare radioactivi. Acest accident a fost declarat

de nivel 5 pe baza efectului din afara incintei.

1979: la centrala nucleară din Three Mile Island (SUA)accident produs în zone reactorului

grav avariat. Pe baza efectului din incinta uzinei a fost considerat accident de nivelul 5.

1986: accidentul de la Cernobîl (Uniunea Sovietică) a fost de nivelul 7, întrucât activitatea

„scăpată” a fost 4·1018 Bq, ceea ce este de 400 de ori radioactivitatea emisă la Hiroshima.

Modelul cu tub de presiune al reactorului a fost în sine un factor important care a

contribuit la brusca suprasarcină care a dus la topirea miezului şi la distrugerea explozivă

a pereţilor reactorului în acest accident.

1999: la Tokai Mura (Japonia) a fost un accident de nivelul 4.

Pe baza accidentelor de pînă acum, se poate spune că majoritatea a fost pînă la nivelul 3.

Într-o centrală nucleară anual se produc de două-trei ori pe an evenimente de nivelul 1 sau 2.

între 1982-1995 au fost 73 de evenimente de nivelul 1, 11 de nivelul 2, 1 de nivelul 3 şi 1 de

nivelul 7.

Consecinţele unui accidente grav pot fi serioase. Accidentul de la Cerobîl a costat

economia sovietică aproximativ 16 miliarde de dolari, inclusiv costurile pentru înlocuirea

energiei. Accidentele a generat un sentiment anti-nuclear în URSS şi în lume. Threee Mile

Island a costat SUA 4,8 miliarde USD în ciuda faptului că accidentul de la Three Mile Island

nu a avut nici un impact radioactiv semnificativ asupra populaţiei. Accidentul a fost un factor

major în crearea neîncrederii publicului în energia nucleară în SUA.


Conform Raportului Rasmussen, în cele mai rele condiţii, un accident nuclear grav ar putea să

aibă ca efecte:

- aproximativ 45 000 de cazuri de îmbolnăviri cauzate de radiaţii care să necesite

spitalizarea, din care aproximativ 3 300 ar muri;

- aproximativ 45 000 de cancere cauzate de radiaţii fatale într-o perioadă de treizeci

de ani ulterioară accidentului;

- aproximativ 250 000 de cancere cauzate de radiaţii non-fatale într-o perioadă de

treizeci de ani ulterioară accidentului;

- aproximativ 170 copii cu malformaţii genetice născuţi în fiecare an în rândul

populaţiei supravieţuitoare accidentului;

- aproximativ 14 miliarde USD (dolari din 1974) pagube materiale, în principal

datorită contaminării radioactive a hranei, apei, terenurilor şi construcţiilor.

Accidente se întâmplă şi în alte centrale, probabilitatea unui accident mortal într-o

termocentrală fiind de 750 ori mai mare decât într-o centrală nucleară. De exemplu în 1984în

Bholpal (India), gazul emis a ucis 2500 de oameni şi alţi 150 000 au fost îngrijiţi în spitale,

dintre care 2500 au rămas invalizi. Tot în India în 1979 s-a rupt barajul unei hidrocentrale la

Morvi, omorând 15 000 de oameni.

Din aceste exemple se vede că funcţionarea centralelor nu este lipsită de pericole. Evident, în

cazul centralelor nucleare există reguli de protecţie foarte stricte de respectat.

Există multe organizaţii naţionale şi internaţionale care se ocupă de securitatea

nucleară şi protecţia iradierii. Printre ele, ONU a înfiinţat Agenţia Internaţională de Energie

Nucleară (AIEN), care încearcă să ajute funcţionarea în securitate a centralelor nucleare

precum şi reglementarea traficului substanţelor radioactive produse în centrale nucleare şi

folosite în înarmarea nucleară.

Datorită Comisiei Internaţionale de Protecţie contra Radiaţiei este elaborarea

recomandărilor pentru protecţia populaţiei, mediului şi a celor care lucrează în mediu cu

pericol de iradiere, recomandări pe baza cărora AIEN elaborează regulamente, directive.

UNESCAR (Comisia Ştiinţifică a Efectelor Radiaţiei Nucleare a Naţiunilor Unite) printre

altele, se ocupă de urmările accidentelor şi neregulilor nucleare.

În România, Agenţia Nucleară este organ de specialitate al administraţiei publice

centrale, cu personalitate juridică, în subordinea primului-ministru şi care are ca obiect de

activitate acordarea de asistenţă tehnică de specialitate Guvernului în formularea politicii în

domeniul nuclear, precum şi promovarea şi monitorizarea activităţilor nucleare în România.


Un program de radioprotecţie optimă a fost elaborat şi implementat pentru a asigura

protecţia personalului, populaţiei cît şi protecţia mediului înconjurător. Programul se bazează

pe ultimele recomandări ICPR referitoare la limitarea şi optimizarea limitelor de expunere la

radiaţii. Un aspect important al programului de radioprotecţie îl reprezintă monitorizarea

dozimetrică în incinta CNE şi în mediul înconjurător.

Bibliografie

114

VII. Efecte de lumină, sunet, câmpuri electrice şi magnetice în

mediu

Frecvenţa undelor electromagnetice acoperă un domeniu continuu, numit spectru

electromagnetic.

Denumire Lungime de

undă

Frecvenţă

Curent alternativ industrial 6000 km 50 Hz

Curent de frecvenţă audio 15 000 - 15 km 20 – 20 000 Hz

Unde lungi 100 – 1 km 3 – 300 kHz

Unde medii 1000 – 100 m 300 – 3000 kHz

Unde scurte 100 – 10 m 3 – 30 MHz

Unde ultrascurte 10 – 1 m 30 – 300 MHz

Microunde 1 m – 1 mm 300 MHz – 300 GHz

Radiaţie infraroşie 1 mm – 800 nm 3·1011 -3,7·1014 Hz

Lumina vizibilă 800 - 400 nm 3,7·1014 – 7,5·1014 Hz

Radiaţia ultravioletă 400 – 10 nm 7,5·1014 – 3·1016 Hz

Radiaţia Rontgen 10 nm – 1 µm 3·1016 - 3·1020 Hz

Radiaţia gamma 10-10 m – 10-14 m 1018 – 1022 Hz

Radiaţia cosmică < 10-14 m >1022 Hz

Figura 25. Spectrul radiaţiei electromagnetice

Componenta din domeniul de frecvenţă mai mică decât 1015 Hz a radiaţiei

elctromagnetice se numeşte radiaţie neionizată. Energia acestei radiaţii este mai mică

de 6·10-19 J şi această energie nu este suficientă pentru ruperea legăturilor chimice. În

schimb, radiaţia cu frecvenţă mai mare decât 1015 Hz are suficientă energie pentru a rupe

Bibliografie

115

legături chimice precum şi pentru ionizare, de aceea această componentă se numeşte

radiaţie ionizantă.

Radiaţiile de frecvenţă înaltă – de exemplu radiaţia cosmică şi radiaţia

Rontgen(X) – strivesc în mare măsură ţesuturile, de aceea organismele vii pot fi expuse la

asemenea radiaţii doar un timp scurt.

VII.1. Radiaţia electromagnetică de origine naturală

Lungimea de undă a radiaţiei electromagnetice de origine naturală ajunge pe suprafaţa

terestră din Soare este între 290-2000 nm, majoritatea radiaţiei fiind în domeniul vizibil.

După efectele biologice se poate împărţi domeniul ultraviolet în:

- regiunea UV-A :315-400 nm;

- regiunea UV-B : 280 - 315 nm;

- regiunea UV-C : 100 - 280 nm.

Aceste componente sunt absorbite în mod diferenţiat de filtrul de ozon. Radiaţia

UV-C este complet absorbită de stratul de ozon. Scăderea intensităţii radiaţiei UV-B

depinde de grosimea stratului de ozon, precum şi de lungimea de undă a radiaţiei.

Stratul de ozon de grosime 1 mm la presiunea de 1 atm scade intensitatea radiaţiei

de lungime de undă de 320 nm cu 10%, a radiaţiei de lungime de undă 300 nm cu 64%,

iar din radiaţia de 280 nu ajunge decît a 40 000–a parte pe suprafaţa Pămîntului.

Din aceste exemple se vede, că ajung componenta de lungime de undă mai mare,

de energie mai mică. Însă, cu subţierea stratului de ozon creşte intensitatea radiaţiei UV-

B care ajunge pe suprafaţa terestră. Pentru componenta UV-A stratul de ozon nu

reprezintă nici o piedică, deci ea preponderent ajunge la suprafaţa terestră.

Efectele radiaţiei UV asupra omului sunt de exemplu înroşirea pielii, bronzarea

pielii, boli diferite de piele şi de ochi, respectiv chiar schimbarea funcţionării sistemului

imunitar. Toate schimbările pornesc cu aşa numitul proces fotofizic primar, în cursul

căruia moleculele absorb fotonii şi ca urmare se excită, respectiv, în cazul fotonului de

energie mai mare, se ionizează. Vorbim de acest proces direct, dacă aceste schimbări se

petrec în molecule care joacă un rol important într-un raport biologic, de exemplu într-o

Bibliografie

116

moleculă de ADN. Dacă molecula predă energia primită unei molecule importante în

procesul biologic, vorbim de proces indirect.

Diferitele molecule sunt cele mai sensibile la radiaţii de diferite energii. De

exemplu, radiaţia UV-A acţionează cel mai puternic asupra hemoglobinei, carotinei şi

bilirubinei; radiaţia UV-B asupra bazelor nucleotidului ADN şi aminoacizilor aromatice

ale proteinelor. Maximul de absorbţie al ADN este în regiunea de lungime de undă 250-

260 nm.

La efectul radiaţiei UV asupra ochiului trebuie luat în considerare, că în mod

diferenţiat acţionează componentele de energii diferite. Componentele de energie mai

mică se absorb în cornee şi în cristalin cauzând opacitatea cristalinului, infecţia corneei şi

conjunctivită. De aceea este imperativ necesară purtarea ochelarilor de soare în locuri

unde omul poate fi expus radiaţiei UV-B intense.

Măsura de afectare a pielii depinde de măsura absorbţiei radiaţiei în ea.

Componenta de energie mai mare a radiaţiei UV-B se absoarbe deja în stratul superior al

epidermei. Bronzarea pielii se datorează creşterii numărului de celule (melanococite) care

produc melanină, colorantul pielii. Expunerea prelungită la Soare poate provoca de

exemplu cancer de piele, creşterea numărului petelor maronii, pot suferi vasele sanguine

şi pielea poate îmbătrâni. Conform estimărilor, scăderea cu 10% a grosimii stratului de

ozon poate creşte cu 10% numărul cazurilor de cancer de piele nemelanome, în cazul

melanomelor această valoare este 2%.

Radiaţia UV poate schimba activitatea şi repartizarea celulelor responsabile de

răspunsul imunitar.

Cantitatea radiaţiei UV ajunsă la om depinde de diferiţi factori externi. Joacă un

rol important de exemplu capacitatea de absorbţie a boltei cereşti, respectiv reflectivitatea

solului. Zăpada proaspătă de exemplu reflectă 80% din radiaţia UV, nisipul 10-25%, apa

10%, terenul înierbit 5%. Contează şi culoarea pielii, de exemplu pielea mai închisă la

culoare apără mai bine organismul de efectele radiaţiei.

A fost introdus – la îndemnul WHO – indexul UV Global al Soarelui (UVI), care

dă o estimare a intensităţii radiaţiei UV solare maxime pe suprafaţa Pământului. La prânz

este intensitatea radiaţiei incidente maximă, deci se dă această valoare. Cele mai mari

Bibliografie

117

sunt valorile în jurul Ecuatorului vara, pot ajunge şi la valoarea de 20, în Europa valorile

maxime vara sunt de cel mult 8. Vorbim de radiaţie UV slabă dacă indexul are valoarea 1

şi 2, moderată dacă este 3 şi 4, intensă dacă este 5 şi 6, foarte intensă, dacă este 7 şi 8,

respectiv radiaţie extremă dacă indexul este peste valoarea 9.

Radiaţia UV, mai precis componenta UV-A, are şi efect pozitiv asupra

organismului viu. Această radiaţie determină formarea pigmentului în piele, ajută la

sinteza vitaminei D, în plante la formarea clorofilei şi are un rol important în derularea

fotosintezei.

Medicina de asemenea foloseşte cu plăcere radiaţia UV, căci este binecunoscut

efectul pozitiv al luminii verde-albăstrui asupra depresiei sau de exemplu bilirubina

îmbogăţită în sângele nou născuţilor se poate descompune cu radiaţie optică. Pentru

dezinfectarea aerului din încăperi se poate utiliza cu succes radiaţia UV, bineînţeles în

asemenea cazuri trebui precauţie ca organismul uman să nu fie atins de radiaţie.

Utilizarea industrială a radiaţiei UV se bazează pe efectul fotoelectric. În esenţă, sub

influenţa radiaţiei de energie mare din metal se eliberează electroni şi metalul devine

electric încărcat. Sub influenţa electronilor extraşi în fotocelule se închide un circuit

electric al cărui intensitate de curent urmăreşte variaţia intensităţii luminii. Principiul de

funcţionare al foto copiatoarelor (xerox) este că un cilindru de metal – după modelul

textului de copiat – este iluminat. În aceste locuri cilindrul se încarcă electric şi atrage

particulele de vopsea, apoi presat contra colii de hârtie de asemenea încărcate electric,

vopseaua este predată hârtiei, apoi uscată.

Moleculele unor substanţe se excită sub influenţa radiaţiei UV, iar ca urmare a excitării

se emite lumină de culoare caracteristică. Acest fenomen se utilizează de exemplu la

controlul banilor de hârtie, în hârtie fiind ţesut fir de vopsea luminescent, care sub

influenţa radiaţiei UV emite lumină.

Mărimile şi unităţile energetica care caracterizează lumina din punct de vedere al

energiei transportate de radiaţia luminoasă sunt:

- fluxul de energie radiantă ( eΦ ) este energia ce străbate o suprafaţă dată în

unitatea de timp:

Bibliografie

118

tE

e =Φ (17)

unde E este energia, t este timpul. Unitatea de măsură este W .

- intensitatea energetică ( eI ) este fluxul de energie radiantă emis în unitatea de

unghi solid:

∆Ω∆Φ e

eI = (18)

- iluminarea energetică ( eE ) este fluxul de energie radiantă emis normal pe

unitatea de suprafaţă:

αcos2 ⋅=∆∆Φ

=rI

AE ee

e (19)

unde r este distanţa de la sursă la suprafaţa elementară iluminată şi α este unghiul

format de direcţia de propagare a luminii cu normala la suprafaţă.

Mărimile şi unităţile fotometrice caracterizează din punct de vedere al senzaţiei de

lumină produsă asupra ochiului uman normal. Ele sunt:

- fluxul luminos (Φ ):

eVk ΦΦ ⋅⋅= (20)

unde k este o constantă numită echivalentul fotometric al radiaţiei, V este sensibilitatea

spectrală relativă a ochiului uman normal, eΦ este fluxul de energie radiantă. Unitatea de

măsură a fluxului luminos este lumenul (lm).

- intensitatea luminoasă ( I ) – este fluxul luminos emis de o sursă punctiformă

în unitatea de unghi solid:

∆Ω∆Φ

=I (21)

Unitatea de măsură a intensităţii luminoase este candela (cd).

- iluminarea ( E ) este fluxul luminos ce cade normal pe unitatea de suprafaţă:

α∆∆Φ cos

r1

AE 2 ⋅== (22)

Bibliografie

119

Iluminarea se măsoară în lux (lx). Sensibilitatea ochiului omenesc este de 10-7 lx, adică o

iluminare provoacă deja senzaţie de lumină. Noaptea înnorată iluminarea este de 10-4lx,

noaptea cu lună plină 0,5 lx. Pentru a citi este nevoie de o iluminare de 80-100 lx.

Puterea unei surse de lumină (energia luminoasă emisă de sursa de lumină în

unitatea de timp) se măsoară în lumen (lm).

VII.2. Radiaţia electromagnetică artificială

Surse artificiale de radiaţie electromagnetică sunt toate acele dispozitive care în timpul

funcţionării emit fie direct fie ca produs secundar raze electromagnetice. Câmpuri

electrice şi magnetice de origine artificială există, în primul rând, în apropierea diferitelor

dispozitive electrice. La 1 m înălţime de sol, sub liniile de înaltă tensiune – prin care se

transportă curent electric alternative de tensiune 500-800 kV, de intensitate 150-2000 A –

se poate măsura o intensitate de câmp electric de 10-20 kV/m şi o intensitate de inducţie

magnetică de 20-600 µT. Sub liniile de înaltă tensiune se găseşte evident şi ozon, dar

concentraţia lui este mică, în jur de 10-9 l/m3. îndepărtându-se de liniile de transmisie

valorile de intensităţi ale câmpurilor scad doar în mică măsură. În preajma utilizatorului

curentul are o tensiune de 100-400 V şi valorile intensităţilor câmpurilor electric,

respective magnetic sunt de 10-50 V/m, respective 2-5 µT.

Intensitatea câmpului electric scade mult sub piele, dar câmpul magnetic în

schimb trece neatenuat prin piele. Câmpul magnetic al liniilor de înaltă tensiune deci,

apare şi în corpul omenesc. Intensitatea câmpului magnetic creat de liniile de înaltă

tensiune este de aceeaşi mărime chiar la 500 m depărtare ca şi sub liniile de transmisie, în

schimb, în cazul uneltelor casnice câmpul magnetic la distanţa de aproximativ 1m scade

deja la valoarea zero.

Este de aşteptat să fie şi în jurul turnurilor de emisie TV şi radio radiaţii mari, dar

aici intensitatea radiaţiei scade repede cu distanţa. Cuptoarele cu microunde funcţionează

cu o putere de câţiva W, radiaţia lor este de frecvenţă aproximativ 245 GHz. La uşa

cuptorului scăparea este foarte mică, deci nu reprezintă nici un pericol pentru utilizator.

Bibliografie

120

Şi despre cuptorul cu microunde, ca şi despre celelalte aparate de uz casnic, se poate

spune că intensitatea radiaţiei scade mult cu distanţa.

Telefoanele mobile funcţionează în domeniul de frecvenţe 800-1900 MHz,

radiaţia cu această frecvenţă nu produce ionizare în organism. Puterea telefoanelor

mobile este de 0,2-0,6 W, ceea ce în comparaţie cu puterea de 5W a celorlalte emiţătoare

– receptoarele manuale – este o valoare foarte mică. O dată cu creşterea distanţei scade

mult intensitatea radiaţiei, astfel, de exemplu, pe cei din preajma celui care vorbeşte la

telefon mobil, nu mai sunt afectaţi de radiaţie.

Radiaţia provenită de la telefonul mobil penetrează ţesuturi până la adâncimea de

1 cm şi acolo provoacă în primul rând încălzire. Procesele de reglare a temperaturii din

corp “transportă” această căldură, ca atare nu apare nici un efect de încălzire mai

importantă. Bineînţeles se fac cercetări pentru a studia efectele utilizării telefonului mobil

asupra organismului uman, dar până acum – în afara încălzirii nesemnificative – nu s-au

putut evidenţia efecte nefaste. Poate fi efect nedorit dacă telefonul mobil este utilizat în

apropierea unor dispozitive sensibile la radiaţie electromagnetică – de exemplu aparat

auditiv sau regulator al ritmului inimii (“peace maker”). În acest caz din cauza

interferenţei celor două aparate se deranjează reciproc.

În cazul monitoarelor, sub influenţa electronilor ce ajung la ecran, ia naştere o

radiaţie electromagnetică pulsatorie, care după expuneri îndelungate, poate provoca stres,

durere de cap tulburări de vedere, tulburări de somn, slăbirea sistemului imunitar. Cu

creşterea distanţei scade intensitatea radiaţiei, conform măsurătorilor, la distanţă egală cu

opt ori diametrul monitorului nu se mai exercită influenţa monitorului. Evident în cazul

computerului nu se poate respecta această distanţă, de aceea trebuie să fie respectate

regulile introduse pentru ocrotirea sănătăţii. Conform acestui regulament din 1990 după

fiecare oră de utilizare a monitorului se iau 10 minute de pauză, iar un regulament din

2002 prevede furnizarea ochelarilor de protecţie pentru cei care lucrează în faţa

monitoarelor.

Bibliografie

121

VII.3. Sunetul şi efectele sale

Pe lângă undele electromagnetice şi undele sonore au efecte biologice. Sunetul

este o undă mecanică, care se propagă prin vibraţiile particulelor mediului, transmisă de

la sursa de sunet la receptor.

O caracteristică a undei sonore este înălţimea sunetului, care corespunde

frecvenţei sunetului. Omul poate percepe sunetul cu frecvenţa 20-1600 Hz, peste

16 000 Hz, vorbim de ultrasunete, iar sub 20 Hz de infrasunete. Deoarece numărul de

vibraţii al vaselor sanguine este în jur de 3 Hz, în cazul unui sunet de această frecvenţă,

de intensitate mare şi persistent pot apărea ca efect al sunetului şi leziuni interne.

Seismele, erupţiile vulcanice sunt acompaniate de infrasunetul de frecvenţă 0,02 Hz. La

efectul infrasunetului sunt expuşi conducătorii auto, călătorii din avion, dar astfel de

sunet emit şi ventilatoarele de exemplu.

Ultrasunetele au importanţă mare în industrie şi în medicină. Acesta se datorează

faptului că ultrasunetele – din cauza lungimii de undă scurtă – au distanţă de penetrare

mare şi pot fi folosite perfect pentru examinarea structurii. O proprietate favorabilă a

ultrasunetelor este că nu distruge materia şi sunt uşor de ghidat, de manevrat. Pe lângă

diagnosticarea medicală, studiul materialelor în industrie, pot fi folosite şi în alte domenii

foarte bine, căci dispersează molecule mari, ‘şi accelerează coagularea. Frecvenţa

ultrasunetului utilizat de obicei este din domeniul 16 kHz – până la câteva sute de MHz,

sunete care pot fi obţinute cu cristale piezoelectrice. Aceste cristale se caracterizează prin

apariţia sarcinilor electrice pe suprafaţa cristalului în urma deformaţiilor. Un proces

invers are loc la producerea ultrasunetelor , prin vibraţii electrice de înaltă frecvenţă

cristalul poate fi constrâns la vibraţii mecanice, adică el devine sursă de sunet.

O mărime caracteristică sunetelor este intensitatea sonoră ( I ) care este energia

sonoră ce traversează suprafaţa unitate, în direcţie normală pe suprafaţă, în unitatea de

timp:

tAEI⋅

= (23)

Bibliografie

122

unde E este energia sunetului, A este mărimea suprafeţei, t este intervalul de timp.

Limita de excitare a sunetului cu frecvenţa de 1kHz este de 10-12nW/m2, adică un sunet

cu această intensitate poate provoca apariţia senzaţiei de sunet.

Puterea sursei sonore (P) este energia sonoră emisă de sursa sonoră în toate

direcţiile în unitatea de timp:

tEP = (24)

Vorbirea normală are puterea 10-5W, iar strigătul are puterea de 10-3W. Intensitatea a

două surse sonore se compară prin logaritmul raportului intensităţii sonore. Astfel se

obţine aşa-numitul nivel al intensităţii sonore (nivel de zgomot – L1):

01 I

Ilog10L ⋅= (25)

unde 0I este limita de excitare a sunetului de 1kHz. Nivelul de zgomot se exprimă în

decibel (dB).

Presiunea sunetului ( p ) este diferenţa presiunii momentane şi a presiunii statice

(mărime exprimată de obicei în unităţi de Paµ ).

Presiunile de sunet sunt comparate prin nivelul presiunii sonore ( pL ) de asemenea în

unităţi de dB:

⋅=

1

2p p

plog20L (26)

Tăria sunetului sau nivelul de zgomot ( H ) este nivelul subiectiv de zgomot,

adică intensitatea trăirii. Conform legii fundamentale psihofizice a lui Weber-Feckner,

intensitatea trăirii este proporţională cu intensitatea excitării, adică sunetul de 100, de

1000 de ori mai intensive vom auzi de 2 ori, respective de 3 ori mai intensive. De aceea

se poate scrie:

⋅=

0pplog20H (27)

Bibliografie

123

unde Pa20p0 µ= . Unitatea de măsură a tăriei sonore este phon-ul. Scara de decibel

coincide cu scara phon, doar în cazul sunetelor cu frecvenţa 1kHz, motivul fiind că

valoarea limitei de excitare depinde de frecvenţă.

Nivelul de intensitate al sunetelor provenite din diferite surse sonore este foarte

diferit, de exemplu: televizorul 40 dB, traficul urban 90 dB, cutremur 100 dB, tunetul 160

dB, vorbire răspicată 75 dB.

Din punct de vedere biologic sunetul de 30-65 dB, provoacă deja supărări

vegetative, cel de 30-40 dB tulburări de somn, iar sunetul de 60 dB tahicardie. Sunetul de

120 dB atinge deja pragul de durere, la 160 dB apare fisurarea timpanului, iar peste 175

dB poate preveni moartea. Zgomotele repetate pe termen lung – organismul le suportă o

anumită vreme, dar dacă intervalul este prea lung apar leziuni nervoase.

Cercetările arată, că zgomotul de fond creşte anual cu 1,5 dB, iar pragul auditiv cu

4-5 dB. Traficul urban este sursa principală de zgomot, reprezentând 60-80% din efectul

de zgomot total ce ajunge la noi. În scopul reducerii poluării cu zgomot, la locurile de

muncă trebuie scăzut nivelul de zgomot, traficul trebuie mai bine organizat, traficul

tranzit să fie dirijat în afara oraşelor, plantarea fâşiilor “antizgomot” lângă drumuri,

construirea pereţilor antifonici, respective realizarea izolării antifonice a clădirilor.

Bibliografie

124

Bibliografie

[1] Mészáros Ernő: Légkörtan, Veszprémi Egyetemi Kiadó, 1993

[2] Czeslaw Szczecinski: A meteorológiáról mindekinek, Budapest, Műszaki

könyvkiadó, 1967

[3] Stefanovits Pál: Talajtan, Mezőgazdazdasági Kiadó, 1981

[4] Dr. Kevein Bárány Ilona: Talajföldrajz, Budapest, Tanköyvkiadó, 1986

[5] Marx György: Atommagközelben, Szeged, Mozaik Oktatási Stúdió, 1986

[6] Hetényi Magdolna: Környezetgeokémia, JATE Pressz Szeged, 1999

[7] Bitó János – Sinka József: Jövőnk kulcsa az energia, Kossuth Kiadó, 1973

[8] Balogh – Kadosa: Fejezetek a környezetfizikából, KLTE-ATOMKI Debrecen

1994

[9] Dobóné Tarai Éva – Tarján András: Környezetvédelmi praktikum tanároknak

[10] Tasnádi P. Bérces Gy. – Skrapits L. Mechanika II, Dialóg Campus Kiadó, Pécs-

Budapest, 2001

[11] Képes Világatlasz, Magyar Könyvklub, Budapest, 2001

[12] SH atlasz: Űrtan (Almár – Both – Horváth - Szabó), Springer Hungarica Kiadó,

1996

[13] Koppány György: Lakható marad-e a Föld?, Budapest, Akadémia Kiadó, 1993

[14] Nuclear Regulatory Commission, Reactor Safety Study (the „Rasmussen Report”)

WASH-1400, Washington DC, 1974

[15] Nuclear Performance Advisory Group (NPAG), Findings and Recommendations,

A report to Ontario Hydro Management, Toronto, 1997

[16] Efectele genetice ale Radiaţiei, Tema 2, Tritiul; Raportul UNSCEAR către

Adunarea Generală a Naţiunilor Unite, 1997

Date post:	05-Jul-2015
Category:	Documents
Upload:	slusarciuc-andrei
View:	996 times
Download:	6 times

Elemente de Fizica Mediului

Documents